Spettroscopia a raggi X con risoluzione a femtosecondi e atomica
I laser a elettroni liberi (FEL) a breve lunghezza d’onda sono in grado di produrre una radiazione a raggi X coerente con intensità senza precedenti. La combinazione dell’elevata risoluzione spaziale con la durata ultracorta, per le esigenze di caratterizzazione 4D (3D più tempo) dei campioni, richiede la conoscenza e il controllo relativi a struttura e lunghezza degli impulsi a raggi X. Con i fondi europei del progetto SIXPAC & T-REX (Single-shot X-ray pulse duration acquisition (SiXPAc) & time-resolved X-ray spectroscopy on molecules (T-ReX)), gli scienziati hanno messo a punto un modo per recuperare queste informazioni. Il team ha sviluppato un sistema non invasivo per la caratterizzazione di impulsi a raggi X con risoluzione inferiore al femtosecondo. Per misurare la durata dell’impulso FEL, i ricercatori si sono affidati alla spettroscopia nel vicino infrarosso. In questa tecnica consolidata, un laser nel vicino infrarosso si sovrappone con il fascio di raggi X che attraversa un gas neon diluito. Poiché gli atomi di gas vengono ionizzati dal laser FEL, i fotoelettroni generati sono sottoposti a rilevamento mediante uno spettrometro a bottiglia magnetica. La nuova tecnica consente di misurare direttamente, per la prima volta, la durata degli impulsi a raggi X di femtosecondi, con una precisione di poche centinaia di attosecondi, indipendentemente dall’energia del fotone. Una descrizione dettagliata del set-up sperimentale è fornita nell’ articolo(si apre in una nuova finestra) pubblicato nella rivista specializzata ad alto impatto Nature Photonics. Grazie al tempo di fascio del Linac Coherent Light Source (LCLS), è stato possibile testare la tecnica. LCLS, parte dello SLAC National Accelerator Laboratory, è una struttura operata dalla Stanford University per conto del dipartimento dell’energia degli USA. Essendo il FEL a raggi X più potente al mondo, era il luogo ideale per testare la metodologia. I ricercatori hanno inoltre sviluppato una tecnica per misurare i tempi di fluttuazione degli impulsi FEL, basati sul principio stocastico di emissione spontanea amplificata. La precisione della tecnica, inferiore al fetmosecondo, faciliterà ulteriormente il controllo della temporizzazione relativa all’impulso ultravioletto (UV) utilizzato per avviare le reazioni molecolari in un campione, e in relazione all’impulso proveniente da una sonda a raggi X, per visualizzare tale temporizzazione. Dopo aver gettato le basi, è iniziato l’esperimento pompa UV/sonda a raggi X. Il team SIXPAC & T-REX si aspetta di dimostrare l’immaginografia 4D della dinamica di ionizzazione in acqua allo stato liquido, aprendo la strada a una nuova era di ricerca nelle scienze biologiche e dei materiali.
