Intensità da record mondiale per impulsi di raggi X brevi e ad alta energia Lampi di raggi X da record

I ricercatori dell’European XFEL hanno focalizzato impulsi di raggi X dell’ordine degli attosecondi con tale intensità da raggiungere un’intensità da record. Questo metodo potrebbe aprire la strada a studi più approfonditi sugli elettroni presenti negli atomi e nelle molecole.

I ricercatori hanno generato all’European XFEL impulsi di raggi X che non solo erano estremamente brevi, ma hanno anche raggiunto un’intensità da record per questo tipo di impulsi. I ricercatori hanno focalizzato la luce a raggi X su un'area circa 100.000 volte più piccola della sezione trasversale di un tipico capello umano. In questo modo, la luce a raggi X è stata concentrata in un punto minuscolo ma estremamente intenso. Questo metodo potrebbe consentire studi approfonditi sul comportamento degli elettroni negli atomi e nelle molecole e, a lungo termine, persino il controllo degli elettroni durante le reazioni chimiche.

«Si tratta di un record mondiale in termini di intensità e densità di flusso per un impulso di attosecondi nella gamma dei raggi X duri», afferma Ichiro Inoue dell’Università di Tokyo, primo autore della pubblicazione sui nuovi impulsi laser. La «luce a raggi X duri» utilizzata è luce con una lunghezza d’onda particolarmente corta. La densità di flusso indica quanta energia questa luce emette su una determinata superficie. L’intensità tiene conto anche della quantità di energia che arriva per unità di tempo. I ricercatori stimano che la durata degli impulsi utilizzati nell’esperimento sia di 300 attosecondi. Gli impulsi hanno attraversato un sistema composto da due specchi estremamente precisi, noto come ottica «Advanced Kirkpatrick-Baez», in breve AKB. All’interno di questo sistema, ogni lampo di raggi X veniva riflesso complessivamente quattro volte: uno specchio focalizzava l’impulso in senso verticale, l’altro in senso orizzontale. Ciò ha portato a un punto di fuoco di soli 180 × 330 nanometri.

«Alcuni anni fa, presso l’European XFEL, abbiamo generato impulsi di raggi X ad attosecondi nell’ordine dei terawatt», afferma Jiawei Yan, ricercatore del DESY e uno degli autori dello studio. «Ma la generazione di impulsi ad alta potenza è solo il primo passo. Per gli esperimenti, ciò che conta soprattutto è ciò che arriva al campione. Grazie a questo progresso, ora possiamo utilizzare impulsi di raggi X dell’ordine degli attosecondi per studiare le forti interazioni non lineari tra i raggi X e la materia.»

Fulmini di enorme intensità

I ricercatori hanno verificato che i lampi raggiungevano un’intensità di picco superiore a 10²⁰ watt per centimetro quadrato. A tal fine hanno diretto gli impulsi su una lamina di rame. Gli impulsi di raggi X hanno sottratto agli atomi di rame elettroni dai gusci interni più profondi, lasciando così dei «vuoti». Quando altri elettroni riempiono questi vuoti, a loro volta emettono raggi X. A intensità molto elevate, questa luce può stimolare altri atomi di rame eccitati a emettere ulteriore luce a raggi X nella stessa direzione, amplificando così il segnale. Questo processo è noto come emissione spontanea amplificata (amplified spontaneous emission, ASE).

«È quasi magico osservarlo», afferma Anders Madsen, responsabile del gruppo presso la stazione sperimentale MID, dove è stato condotto lo studio. «La fluorescenza normale si diffonde in tutte le direzioni, indipendentemente dalla direzione dell’impulso incidente. Non appena, però, viene superata la soglia dell’ASE, si osserva come il cono di luce inizi a concentrarsi in direzione avanti.»

I ricercatori hanno osservato che il segnale ASE inizialmente aumentava rapidamente all’aumentare dell’energia dell’impulso, per poi appiattirsi o saturarsi a energie più elevate. Questo comportamento è previsto solo in presenza di intensità di raggi X estremamente elevate e ha quindi fornito una conferma indipendente dell’intensità stimata sulla base dell’energia dell’impulso, della durata e delle dimensioni del fuoco.