Un team di scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia sta sviluppando nuovi metodi per sondare i più piccoli dettagli dell'universo a velocità straordinarie.
In ricerche precedenti, i ricercatori hanno sviluppato un modo per produrre lampi laser di raggi X lunghi diverse centinaia di attosecondi (o miliardesimi di miliardesimo di secondo). Questo metodo, chiamato XLEAP (Xray Laser-Enhanced Attosecond Pulse Generation), consente agli scienziati di studiare come gli elettroni che sfrecciano attorno alle molecole avviano processi chiave in biologia, chimica, scienza dei materiali e altro ancora.
Ora, sotto la guida degli scienziati SLAC Agostino Marinelli e James Cryan, il team ha sviluppato nuovi strumenti per utilizzare questi impulsi ad attosecondi in modi innovativi:il primo utilizzo di impulsi ad attosecondi in esperimenti con sonda a pompa e la produzione dei più potenti impulsi di raggi X ad attosecondi mai segnalato. Gli esperimenti, condotti presso il laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC e pubblicati in due articoli su Nature Photonics , potrebbe rivoluzionare campi che vanno dalla chimica alla scienza dei materiali offrendo approfondimenti sui movimenti più veloci all'interno di atomi e molecole.
Nel primo sviluppo, i ricercatori hanno introdotto un nuovo approccio per condurre esperimenti "pompa-sonda" con impulsi di raggi X ad attosecondi. Questi esperimenti, volti a misurare eventi ultraveloci più brevi di un trilionesimo di secondo, coinvolgono l'eccitazione degli atomi con un impulso di "pompa" seguito dalla sonda con un secondo impulso per osservare i cambiamenti risultanti.
Questa tecnica ha permesso agli scienziati di tracciare e misurare il movimento degli elettroni all’interno di atomi e molecole, un processo critico che influenza le reazioni chimiche, le proprietà dei materiali e le funzioni biologiche. Sono riusciti a raggiungere questo obiettivo generando coppie di impulsi laser in due colori e controllando meticolosamente il ritardo tra di loro fino a un minimo di 270 attosecondi.
"Questa capacità apre nuove opportunità per studiare l'interazione della luce con la materia al livello più fondamentale", ha affermato Cryan. "È emozionante perché si è evoluto in uno strumento pratico, permettendoci di vedere le dinamiche degli elettroni che una volta erano fuori dalla nostra portata. Ora stiamo osservando processi che si verificano su scale temporali che si avvicinano al tempo impiegato dalla luce per attraversare una molecola."
In un recente articolo, i ricercatori hanno utilizzato questa tecnica per osservare gli elettroni che si muovono in tempo reale nell’acqua liquida. Gli studi futuri applicheranno questo metodo a vari sistemi molecolari, perfezionando l'accuratezza di queste misurazioni ed espandendo la loro applicazione in tutte le discipline scientifiche.
Il secondo sviluppo si è concentrato sulla generazione di impulsi ad attosecondi ad alta potenza utilizzando una tecnica nota come "super-radianza", raggiungendo livelli di potenza di quasi un terawatt. Questo processo prevedeva un effetto a cascata in un laser a elettroni liberi a raggi X, amplificando significativamente la potenza degli impulsi.
L'intensità maggiore di questi impulsi consente agli scienziati di esplorare stati unici della materia e di testimoniare fenomeni che si verificano su scale temporali ancora più brevi.
"Questi sono gli impulsi di raggi X ad attosecondi più potenti mai segnalati. L'intensità di questi impulsi ci consente di esplorare regimi completamente nuovi della scienza dei raggi X", ha detto Marinelli. "Abbiamo ampliato i confini dell'energia degli impulsi dei raggi X, raggiungendo livelli di potenza che aprono nuovi regni sperimentali. Questo risultato è stato ottenuto grazie a uno speciale tipo di onda che mantiene la sua forma e velocità mentre si propaga attraverso il gruppo di elettroni, in modo drammatico migliorando l'intensità e l'energia delle nostre pulsazioni."
I ricercatori intendono perfezionare ulteriormente questa tecnologia per migliorare la stabilità e il controllo di questi impulsi ad alta potenza, con l'obiettivo di ampliare la loro applicazione in diverse aree scientifiche.
Questi sviluppi ampliano i confini delle nostre capacità di osservazione e misurazione, ponendo le basi per future scoperte scientifiche che potrebbero trasformare la nostra comprensione del mondo naturale.
L’osservazione di atomi ed elettroni in movimento facilita la progettazione di nuovi materiali con proprietà su misura per la tecnologia, l’energia e altri campi. Comprendere il movimento degli elettroni durante le reazioni chimiche può anche facilitare i principi di progettazione chimica intelligente.
"Questi studi non solo approfondiscono la nostra comprensione della fisica, ma aprono anche la strada a innovazioni future che potrebbero trasformare la nostra comprensione dei processi guidati dagli elettroni", ha affermato Cryan. "Ogni impulso ad attosecondi che generiamo offre una nuova visione degli elementi costitutivi della natura, svelando dinamiche precedentemente nascoste alla vista. Anticipiamo molte altre scoperte entusiasmanti in futuro."
Ulteriori informazioni: Zhaoheng Guo et al, Dimostrazione sperimentale della spettroscopia pompa-sonda ad attosecondi con un laser a elettroni liberi a raggi X, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01419-w
Paris Franz et al, Impulsi di raggi X ad attosecondi su scala Terawatt da un laser a elettroni liberi superradiante in cascata, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01427-w
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
Fornito da SLAC National Accelerator Laboratory
