Record la LCLS: pulsuri de raze X de înaltă energie de 100–400 de attosecunde
Cercetătorii de la Linac Coherent Light Source (LCLS), din cadrul Laboratorului Național de Acceleratoare SLAC al Departamentului Energiei al Statelor Unite, au măsurat cele mai scurte pulsuri de raze X de înaltă energie înregistrate vreodată la un laser cu electroni liberi (XFEL). Pulsurile au avut energii ale fotonilor de aproximativ 9 kiloelectronvolți (keV) și durate cuprinse între 100 și 400 de attosecunde, adică miliardimi de miliardime de secundă. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Photonics.
Aceste pulsuri de raze X „tari”, de înaltă energie, sunt valoroase pentru cercetătorii care studiază universul la cele mai mici și mai rapide scări. „Pulsurile sunt suficient de energetice pentru a pătrunde adânc în sistemele atomice și suficient de rapide pentru a înregistra mișcarea electronică înghețată în timp”, a declarat Agostino Marinelli, autor al studiului și profesor de știința fotonilor, fizica particulelor și astrofizică la SLAC.
Provocarea măsurării unor pulsuri atât de scurte
Potrivit lui Marinelli, dificultatea nu a fost crearea acestor pulsuri ultracurte, ci demonstrarea faptului că au fost obținute. „De-a lungul mai multor ani am învățat să creăm aceste pulsuri attosecundă de înaltă energie, dar măsurarea unor pulsuri atât de scurte este foarte, foarte dificilă. Acesta a fost primul diagnostic care dovedește că pulsurile au într-adevăr doar câteva sute de attosecunde”, a explicat el.
Ichiro Inoue, profesor la Universitatea din Tokyo și autor principal al studiului, a propus utilizarea emisiei spontane amplificate (ASE) pentru a măsura indirect durata pulsurilor LCLS. ASE apare atunci când pulsuri de raze X puternic focalizate excită un anumit element, determinându-l să fluoresceze într-o direcție înainte. În această fluorescență se regăsesc informații despre energia, forma și durata pulsului original.
Echipa a folosit LCLS pentru a genera un fascicul de înaltă energie despre care credea că este format din raze X attosecundă. O parte a fasciculului a fost deviată către un detector care i-a măsurat energia și forma spectrului, iar restul a fost focalizat pe o suprafață de doar 150 de nanometri pe o folie de cupru, generând ASE captată de un alt detector. Combinând aceste măsurători, cercetătorii au putut calcula durata pulsului.
O nouă categorie de utilizatori pentru știința attosecundă
Rezultatele vin în contextul în care comunitatea internațională de cercetare și-a exprimat interesul pentru folosirea acestor pulsuri, care permit analize mai profunde în interiorul atomilor și al sistemelor dense și pot chiar depăși daunele provocate de razele X însele. În 2019, o echipă condusă de Marinelli generase raze X attosecundă în regimul de joasă energie, „moi”, sub 5 keV, utile pentru măsurarea energiei electronilor și pentru studierea mișcării acestora în legăturile chimice și în păturile exterioare ale atomilor.
Razele X de înaltă energie, peste 5 keV, pătrund mai adânc în materiale și pot captura imagini cu o rezoluție suficientă pentru a localiza electronii cu precizie atomică. Prin demonstrarea faptului că LCLS poate livra raze X attosecundă de înaltă energie, echipa a deschis știința attosecundă către noi categorii de cercetători, inclusiv cei care studiază plasmele, materia fierbinte și densă din stele și din experimentele de fuziune inerțială.
Sam Vinko, profesor de fizică la Universitatea din Oxford, a folosit aceste pulsuri în cadrul LCLS. „Pentru prima dată am putut măsura aceste stări excitate înainte de a avea timp să evolueze”, a spus el. „Pentru un fizician al plasmelor, este pur și simplu uimitor.”
Depășirea daunelor provocate de razele X
Pulsurile attosecundă de raze X tari oferă un avantaj suplimentar: depășesc daunele induse de razele X. „Pulsurile de raze X provoacă ele însele daune stărilor electronice ale materiei, dar cu pulsuri attosecundă putem captura starea electronică în forma ei pristine, depășind practic daunele”, a spus Inoue.
Cercetători precum Tais Gorkhover, coordonatoarea grupului de imagistică avansată ultrarapidă cu raze X de la Universitatea din Hamburg, intenționează să folosească aceste pulsuri pentru a îmbunătăți imagini la scară nanometrică obținute prin absorbție și difuzie. Ea consideră că razele X tari attosecundă ar putea avea un efect și mai puternic decât cele moi. „Există mult entuziasm că, cu pulsuri attosecundă, se obține o rezoluție temporală extrem de ridicată, cu care poți separa cu adevărat dinamica nucleară de cea electronică”, a declarat Gorkhover, care vede în aceste pulsuri și o cale de a controla activ interacțiunea dintre materie și lumină.
