Il recente avvento delle sorgenti di raggi X a femtosecondi offre opportunità senza precedenti per studi strutturali e dinamici. Richiede, però, manipolazione delle proprietà spettrali, come comunemente fatto dall'ottica non lineare a lunghezze d'onda visibili/infrarosse. Qui mostriamo le prime prove per la modulazione di fase autonoma, un effetto chiave non lineare nella scienza dei laser ultraveloci, in raggi X morbidi. Basandosi su un tale effetto, dimostriamo come sintonizzare le proprietà spettrali in questa regione di lunghezza d'onda fondamentale per la spettroscopia a pompa di elettroni del nucleo e la nanoimaging.

La rilevanza per le applicazioni radiologiche è probabilmente il vantaggio più noto dei fasci di raggi X (energie keV) rispetto alla radiazione visibile (energie eV) e può essere ricondotta alla loro superiore profondità di penetrazione. Su un punto più fondamentale, però, la rilevanza di questo intervallo di energia dei fotoni dipende dalla capacità di sondare gli elettroni del guscio interno (poiché hanno energie di legame comparabili) e mappare le strutture molecolari su scala atomica (poiché le tipiche spaziature interatomiche sono paragonabili alle lunghezze d'onda dei raggi X). Basandosi su tali capacità, sforzi sono stati dedicati dalla comunità scientifica allo sviluppo di sorgenti di raggi X sub-picosecondi in grado di accedere alle proprietà della materia con una risoluzione temporale sufficiente per accedere ai moti molecolari elementari. Laser a elettroni liberi (FEL), oggi disponibile in diverse strutture di grandi dimensioni in tutto il mondo, rappresentano un ottimo candidato per generare impulsi a raggi X a femtosecondi con elevata brillantezza. Una delle principali sfide per sfruttare l'enorme potenziale delle sorgenti FEL è lo sviluppo di metodi per sintonizzare le proprietà spettrali e temporali del fascio, un compito che viene solitamente raggiunto alle lunghezze d'onda visibili ricorrendo ad ottiche non lineari.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce, un team di scienziati dell'Istituto Italiano di Tecnologia, Università dell'Aquila, FERMI Trieste e l'Università "Sapienza" di Roma hanno mostrato la prima evidenza di modulazione di fase di auto (SPM) nel regime dei raggi X molli. L'esperimento, eseguita presso lo stabilimento FERMI@elettra di Trieste, consiste nell'osservazione della modulazione spettrale dopo l'interazione di fasci FEL focalizzati con una lamina metallica molto sottile (100-300 nm).

"Il nostro esperimento dimostra una nuova manopola di controllo per la modellazione spettrale degli impulsi FEL. Lo spostamento dal blu al rosso accompagnato da un aumento della larghezza di banda può essere ottenuto spostando la lunghezza d'onda di ingresso attraverso il bordo di assorbimento del materiale, " spiega il prof. Tullio Scopigno.

I bordi di assorbimento atomico nella regione dei raggi X presentano nette discontinuità:un materiale ottico trasparente può assorbire la luce modificando l'energia del fotone di meno dell'1%, generando in modo corrispondente specifiche eccitazioni elettroniche del nucleo.

"Questa prima osservazione degli effetti SPM nel regime dei raggi X soft permette di svelare proprietà atomiche specifiche sulla scala temporale del subpicosecondo. In particolare, l'interazione con un plasma di elettroni fuori equilibrio indotto dalla luce generato sulla scala temporale dei femtosecondi in sottili lamine metalliche, " conclude il dottor Carino Ferrante.

Al di sotto del bordo di assorbimento, l'SPM osservato è indotto dall'effetto Kerr, cioè da una modifica dell'indice di rifrazione non lineare che imita il profilo di intensità dell'impulso, che alla fine si traduce in un ampliamento dello spettro, accompagnato da un redshift dovuto al riscaldamento degli elettroni di valenza. In sorprendente differenza, sopra il bordo, i fotoelettroni del nucleo altamente eccitati generati dal bordo anteriore dell'impulso formano un plasma ionizzato denso caldo transitorio, responsabile di una forte diminuzione dell'indice di rifrazione. Di conseguenza, il fronte d'uscita dell'impulso viene accelerato dando luogo ad una compressione temporale asimmetrica che, a sua volta, si traduce in uno spostamento verso il blu.

I risultati forniscono una prova del concetto per la modellazione spettrale degli impulsi di raggi X molli, una pietra miliare verso lo sviluppo di nuovi protocolli per spettroscopie di elettroni con nucleo a femtosecondi.