Nuove sorgenti di luce a raggi gamma che sfruttano la canalizzazione della radiazione dell’ondulatore cristallino
I moderni laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) - potenti strumenti che generano impulsi coerenti e ultra-brevi di raggi X di circa un angstrom di lunghezza d’onda - hanno una brillantezza molto elevata. Ciò consente, tra le altre applicazioni, l’imaging non distruttivo delle biomolecole. Tuttavia, è difficile ridurre la lunghezza d’onda raggiungibile nell’ambito delle radiazioni gamma, mantenendo o aumentando l’intensità. Con il sostegno del programma di azioni Marie Sklodowska-Curie (MSCA), il progetto N-LIGHT(si apre in una nuova finestra) ha cercato di superare il compromesso tra lunghezza d’onda e intensità con sorgenti luminose sintonizzabili basate su cristalli di raggi gamma (CLS) in grado di raggiungere lunghezze d’onda sub-angstrom e una brillantezza elevatissima. Le applicazioni potenziali sono numerose in campi quali la scienza fondamentale, l’industria, la biologia e la medicina.
Canalizzazione attraverso i cristalli
Le sorgenti di luce avanzate come gli XFEL si basano su grandi ondulatori magnetici per creare luce coerente. N-LIGHT ha implementato un approccio radicale: l’uso di campi elettrostatici elettromagnetici cristallini, che sono ordini di grandezza più forti dei campi ottenibili con i magneti superconduttori. Il campo elettrostatico collettivo degli atomi del cristallo viene utilizzato per controllare il movimento delle particelle cariche - tipicamente elettroni o positroni - nel cristallo lungo i piani cristallografici, un fenomeno noto come «canalizzazione». Questo porta all’oscillazione trasversale delle particelle e all’emissione di radiazione canalizzante. Secondo Andrey V. Solov’yov del Centro di Ricerca MBN(si apre in una nuova finestra), coordinatore di N-LIGHT: «In un cristallo periodicamente piegato, l’emissione aggiuntiva di “radiazione ondulatoria cristallina” deriva dal movimento verso l’alto e verso il basso della particella lungo i piani piegati». Questi potenti campi elettrostatici cristallini guidano le particelle ultra-relativistiche, che si muovono quasi alla velocità della luce. Lo fanno in modo più efficace dei magneti più avanzati, consentendo di ottenere sorgenti luminose drasticamente miniaturizzate e meno costose rispetto a quelle convenzionali.
Pionieristici progressi teorici, computazionali e sperimentali
Sulla base di sviluppi teorici che mettono in relazione il profilo di curvatura dei piani cristallini con la variazione della concentrazione di atomi di drogante, le simulazioni numeriche hanno mostrato che l’efficienza di canalizzazione e l’intensità della radiazione ondulatoria cristallina dipendono fortemente dall’orientamento del fascio rispetto al profilo curvo del canale all’ingresso del cristallo. Le simulazioni hanno anche dimostrato che l’intensità di radiazione dei CLS potrebbe superare le attuali sorgenti di luce gamma di ultima generazione. Strumenti di calcolo all’avanguardia hanno permesso di simulare il comportamento di propagazione di una singola particella attraverso un cristallo e di prevedere le proprietà della radiazione. Una mappatura completa dei parametri operativi per gli ondulatori cristallini azionati acusticamente ha stabilito intervalli pratici rilevanti sia per l’acceleratore MAMI(si apre in una nuova finestra) che per gli acceleratori dell’Organizzazione europea per la ricerca nucleare(si apre in una nuova finestra) (CERN). «Le simulazioni di dinamica molecolare hanno caratterizzato - per la prima volta - i cambiamenti strutturali indotti dal drogaggio del boro nel diamante e dal drogaggio del germanio nel silicio», spiega il borsista MSCA Andrei Korol. Queste intuizioni sono state tradotte in tappe sperimentali tangibili. Sono stati prodotti due ondulatori cristallini - uno tramite drogaggio a gradiente di boro del diamante, l’altro tramite deposizione di film di trazione sul silicio - e testati rispettivamente al MAMI e al CERN. Secondo Solov’yov e Korol: «La campagna sperimentale ha permesso di ottenere due importanti primati in un singolo esperimento: la prima osservazione diretta della radiazione ondulatoria cristallina da un cristallo di diamante drogato di boro esposto a un fascio di elettroni e la prima osservazione della canalizzazione dei positroni (entrambi al MAMI)».
Un futuro brillante per le sorgenti luminose basate su cristalli di raggi gamma
La costruzione di CLS richiede una lunga e impegnativa pipeline: preparazione dei campioni di cristallo, progettazione e manipolazione dei fasci di particelle, rivelazione e caratterizzazione delle radiazioni, il tutto supportato da analisi teoriche e modellizzazione computazionale avanzata. N-LIGHT ha percorso questo cammino nella sua interezza. Il passaggio all’industrializzazione richiederà tempo. Tuttavia, se ci si ispira ai paralleli storici con i sincrotroni, i laser ottici, le sorgenti di luce laser Compton e gli XFEL, queste sorgenti radicali di luce gamma hanno il potenziale per lanciare industrie multimiliardarie con un impatto di vasta portata per il bene della società.