Un grande team internazionale di scienziati di varie organizzazioni di ricerca, tra cui l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha sviluppato un metodo che migliora notevolmente la risoluzione temporale già ultraveloce ottenibile con i laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL). Potrebbe portare a scoperte rivoluzionarie su come progettare nuovi materiali e processi chimici più efficienti.

Un dispositivo XFEL è una potente combinazione di acceleratore di particelle e tecnologia laser che produce impulsi di raggi X estremamente brillanti e ultracorti per la ricerca scientifica. "Con questa tecnologia, gli scienziati possono ora monitorare i processi che si verificano entro milioni di un miliardesimo di secondo (femtosecondi) a dimensioni fino alla scala atomica, " disse Gilles Doumy, un fisico nella divisione di scienze chimiche e ingegneria di Argonne. "Il nostro metodo rende possibile farlo per tempi ancora più rapidi."

Una delle applicazioni più promettenti degli XFEL è stata nelle scienze biologiche. In tale ricerca, gli scienziati possono catturare come i processi biologici fondamentali per la vita cambiano nel tempo, anche prima che la radiazione dei raggi X del laser distrugga i campioni. In fisica e chimica, questi raggi X possono anche far luce sui processi più veloci che avvengono in natura con una velocità dell'otturatore che dura solo un femtosecondo. Tali processi includono la creazione e la rottura di legami chimici e le vibrazioni degli atomi su superfici di film sottili.

Per oltre un decennio gli XFEL hanno fornito intense, impulsi a raggi X a femtosecondi, con recenti incursioni nel regime dei sub-femtosecondi (attosecondi). Però, su queste minuscole scale temporali, è difficile sincronizzare l'impulso a raggi X che innesca una reazione nel campione e l'impulso laser che lo "osserva". Questo problema è chiamato jitter temporale.

L'autore principale Dan Haynes, uno studente di dottorato presso il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, disse, "È come cercare di fotografare la fine di una gara quando l'otturatore della fotocamera potrebbe attivarsi in qualsiasi momento negli ultimi dieci secondi".

Per aggirare il problema del jitter, il team di ricerca ha escogitato un pionieristico, approccio altamente preciso chiamato "striature ad attosecondi autoreferenziali". Il team ha dimostrato il proprio metodo misurando un processo di decadimento fondamentale nel gas neon presso la Linac Coherent Light Source, un DOE Office of Science User Facility presso lo SLAC National Accelerator Laboratory.

Doumy e il suo consigliere di allora, Professore Louis DiMauro della Ohio State University, aveva proposto per la prima volta la misurazione nel 2012.

Nel processo di decadimento, chiamato Auger decadimento, un impulso di raggi X catapulta gli elettroni del nucleo atomico nel campione fuori dal loro posto. Ciò porta alla loro sostituzione con elettroni nei gusci atomici esterni. Quando questi elettroni esterni si rilassano, rilasciano energia. Tale processo può indurre l'emissione di un altro elettrone, noto come elettrone Auger. Il danno da radiazioni si verifica a causa sia degli intensi raggi X che della continua emissione di elettroni Auger, che possono degradare rapidamente il campione. Dopo l'esposizione ai raggi X, gli atomi di neon emettono anche elettroni, chiamati fotoelettroni.

Dopo aver esposto entrambi i tipi di elettroni a un impulso laser "strisciante" esterno, i ricercatori hanno determinato la loro energia finale in ciascuna delle decine di migliaia di misurazioni individuali.

"Da quelle misurazioni, possiamo seguire il decadimento Auger nel tempo con una precisione inferiore al femtosecondo, anche se il jitter temporale era cento volte maggiore, " ha detto Doumy. "La tecnica si basa sul fatto che gli elettroni Auger vengono emessi leggermente dopo i fotoelettroni e quindi interagiscono con una parte diversa dell'impulso laser striato".

Questo fattore costituisce il fondamento della tecnica. Combinando così tante osservazioni individuali, il team è stato in grado di costruire una mappa dettagliata del processo di decadimento fisico. Da quelle informazioni, potrebbero determinare il caratteristico ritardo temporale tra l'emissione del fotoelettrone e dell'elettrone Auger.

I ricercatori sperano che le striature autoreferenziali avranno un ampio impatto nel campo della scienza ultraveloce. Essenzialmente, la tecnica consente di estendere la tradizionale spettroscopia a striscio ad attosecondi agli XFEL di tutto il mondo mentre si avvicinano alla frontiera degli attosecondi. In questo modo, le striature autoreferenziali possono facilitare una nuova classe di esperimenti che beneficiano della flessibilità e dell'estrema intensità degli XFEL senza compromettere la risoluzione temporale.