I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI sono riusciti per la prima volta a esaminare i materiali utilizzando il metodo della spettroscopia a reticolo transitorio con raggi X ultraveloci presso SwissFEL. L'esperimento al PSI è una pietra miliare nell'osservazione dei processi nel mondo degli atomi. I ricercatori stanno pubblicando i risultati della loro ricerca oggi sulla rivista Fotonica della natura .

Le strutture sui microchip stanno diventando sempre più piccole; i dischi rigidi scrivono intere enciclopedie su dischi magnetici delle dimensioni di un'unghia. Molte tecnologie stanno attualmente sfondando i confini della fisica classica. Ma nel nanomondo, si applicano altre leggi, quelle della fisica quantistica. E ci sono ancora molte domande senza risposta:come fa effettivamente il calore a viaggiare attraverso un materiale semiconduttore su scala nanometrica? Cosa succede esattamente quando i singoli bit vengono magnetizzati nell'hard disk di un computer, e quanto velocemente possiamo scrivere? Non ci sono ancora risposte a queste e a molte altre domande principalmente perché le attuali tecniche sperimentali non possono guardare in modo abbastanza approfondito e preciso nei materiali e perché alcuni processi avvengono troppo rapidamente per i metodi sperimentali convenzionali. Ma se vogliamo andare avanti con la miniaturizzazione tecnica, dobbiamo comprendere tali fenomeni a livello atomico

Il mix di metodi fa la differenza

Un nuovo impulso è ora dato alla questione grazie a un nuovo metodo ideato dal ricercatore PSI Cristian Svetina, insieme a Jeremy Rouxel e Majed Chergui all'EPFL di Losanna, Keith Nelson al MIT negli Stati Uniti, Claudio Masciovecchio al Fermi FEL in Italia, e altri partner internazionali. "Il metodo in realtà non è nuovo, anche se, ed è stato utilizzato per decenni in regime ottico con risultati eccezionali, "dice Svetina, che sta attualmente allestendo la nuova stazione sperimentale Furka sulla linea di luce SwissFEL Athos al PSI. Cosa c'è di speciale, lui dice, è la combinazione e l'estensione di metodi noti della fisica laser non lineare, ma utilizzando la luce a raggi X del nuovo laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL. Questa combinazione è sia nuova che sorprendente. Diversi tentativi sono stati fatti in passato da molti gruppi in tutto il mondo ma senza successo. È stato anche messo in dubbio se tali nuovi esperimenti potessero essere condotti con successo alle alte energie dei raggi X. Il team del PSI ha dimostrato:Sì, si può fare.

Al suo centro, questo è un metodo chiamato spettroscopia a reticolo transitorio. La spettroscopia è un insieme comprovato di metodi utilizzati dai fisici per ottenere informazioni su un materiale, quali gli elementi chimici e i composti di cui è costituito, le sue proprietà magnetiche, e come gli atomi si muovono al suo interno. Nella particolare variante chiamata spettroscopia a reticolo transitorio, il campione viene bombardato con due raggi laser che creano un pattern di interferenza. Un terzo raggio laser viene diffratto in questo schema, creando una quarta trave che contiene le informazioni sulle proprietà del campione.

Guardando sotto la superficie

Il termine laser viene sempre utilizzato per descrivere la luce nell'intervallo visibile o infrarosso dello spettro delle lunghezze d'onda. Pertanto i laser possono guardare all'interno di un campione solo con una risoluzione limitata a centinaia di nanometri. Per andare oltre questo, I raggi X sono necessari. I ricercatori del PSI sono ora riusciti per la prima volta a rendere la spettroscopia a reticolo transitorio accessibile a un laser a raggi X, usando raggi X molto duri con un'energia di 7,1 kiloelettronvolt, che corrisponde a una lunghezza d'onda di 0,17 nanometri, o circa il diametro di atomi di medie dimensioni. Il vantaggio:per la prima volta, è possibile guardare all'interno dei materiali con una risoluzione fino ai singoli atomi nonché con tempi di esposizione ultracorti di frazioni di femtosecondi (un milionesimo di miliardesimo di secondo), che consente anche di registrare video di processi atomici. Inoltre, il metodo è elemento-selettivo, il che significa che si possono misurare selettivamente elementi chimici specifici in una miscela di sostanze. Il metodo integra tecniche ben consolidate come neutroni anelastici e diffusione di raggi X, aggiungendo una migliore risoluzione in termini sia di tempo che di energia.

In pratica, la configurazione sperimentale si presenta così:SwissFEL invia un raggio con un diametro di 0,2 millimetri, costituito da impulsi a raggi X ultracorti, su un reticolo di fase di trasmissione in diamante, che al microscopio sembra un bel pettine. Il diamante viene utilizzato perché non viene distrutto nemmeno dai raggi X ad alta energia. È stato realizzato appositamente per questo esperimento da Christian David del Laboratory for Micro and Nanotechnology al PSI. La distanza tra i denti del pettine è di due micrometri, ma questo può scendere ai nanometri se necessario. Rompono il fascio di raggi X in sottili fasci parziali che si sovrappongono dietro la grata, creando così il modello di diffrazione del reticolo transitorio. Dietro la grata, si possono osservare immagini biunivoche del reticolo, ripetuti a intervalli regolari, i cosiddetti aerei Talbot. Se metti un campione in uno di questi piani, alcuni atomi al suo interno si eccitano, proprio come se fosse seduto nella posizione della grata. Solo gli atomi che "vedono" i raggi X in questa modulazione periodica sono eccitati, mentre i vicini che non subiscono l'irradiazione rimangono allo stato fondamentale. Questa è l'attrazione principale del metodo, poiché consente ai ricercatori di eccitare selettivamente domini caratteristici di interesse.

Fotocamera con flash

Eccitazione dei soli atomi, però, non fornisce alcuna informazione. Per questo, è necessaria una sorta di macchina fotografica con un flash per esporre brevemente il campione. Nella spettroscopia a reticolo transitorio, questo viene fatto da un laser che punta il campione in un angolo e spara immagini con un ritardo di tempo minimo al raggio di raggi X da SwissFEL. L'informazione esce dal retro del campione e colpisce un rilevatore che registra l'immagine. Gli esperimenti iniziali hanno mostrato un vantaggio del metodo:non produce alcun segnale di fondo indesiderato. "Se gli atomi sono eccitati, vedi un segnale; se non sono eccitati, non vedi niente, " Svetina spiega. Questo è estremamente prezioso quando si misurano campioni che emettono solo segnali deboli e che non possono essere visti con altre tecniche in cui uno sfondo oscura il segnale.

Il fatto che Cristian Svetina e il suo team siano riusciti a fare ciò che altri ricercatori non hanno fatto è dovuto alla creatività e alla pazienza dei protagonisti. "Abbiamo proceduto per gradi e non volevamo provare tutto in una volta, " dice il fisico. Cinque anni fa i ricercatori hanno iniziato a sperimentare al FERMI FEL con la luce ottica e l'hanno estesa alla luce ultravioletta estrema prima di passare ai raggi X al PSI. Qui, invece di esaminare subito i campioni "reali", hanno usato lamine d'oro per verificare se l'energia era sufficiente per eccitare gli atomi. Sono riusciti a bruciare il reticolo da un aereo Talbot nella lamina. Svetina:"È stato allora che abbiamo capito:se possiamo anche stampare strutture, possiamo eccitare atomi con intensità inferiore." Con questo la strada era chiara per l'esperimento ora riuscito. Usando un campione di germanato di bismuto, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il metodo ha soddisfatto tutte le loro speranze in termini di risoluzione spaziale e temporale, velocità di misurazione, e selettività degli elementi.

Prossimo obiettivo:tutto con i raggi X

Però, i ricercatori non hanno ancora compiuto il passo finale. Finora, solo il raggio che eccita il campione è un raggio di raggi X. Il flash della fotocamera proviene ancora da un laser, quindi è luce visibile. L'apice sarebbe stato raggiunto se anche quello fosse stato un raggio di raggi X. Svetina:"Vogliamo fare quest'ultimo passo nel corso dell'anno". E hanno un supporto aggiuntivo:LCLS di SLAC e PULSE Institute, entrambi a Stanford in California, il centro RIKEN SPring-8 in Giappone, e FLASH di DESY in Germania si sono uniti al team di collaborazione.

I ricercatori stanno pubblicando i loro risultati oggi sulla rivista Fotonica della natura .