Um novo parâmetro de referência para a ciência ultrarrápida dos raios X
Pesquisadores da Linac Coherent Light Source (LCLS), sediada no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia dos Estados Unidos, mediram os pulsos de raios X de alta energia mais curtos já registrados em um laser de elétrons livres de raios X. Os pulsos relatados tinham energias de fótons de cerca de 9 quiloelectronvolts e duravam de 100 a 400 attossegundos.
Um attossegundo é um bilionésimo de um bilionésimo de segundo. Nessa escala de tempo, os pesquisadores buscam estudar processos extremamente rápidos na matéria, incluindo o movimento eletrônico. As descobertas foram publicadas na Nature Photonics.
O resultado é significativo não apenas pela duração do pulso, mas porque a equipe conseguiu medi-la. Segundo o pesquisador do SLAC e autor do estudo Agostino Marinelli, produzir pulsos de raios X de alta energia em attossegundos foi algo aprendido ao longo de vários anos; demonstrar que os pulsos duravam apenas algumas centenas de attossegundos foi a tarefa mais difícil.
Raios X duros combinam velocidade e penetração
O experimento concentrou-se em raios X duros, ou de alta energia. Os pulsos de aproximadamente 9 keV são energéticos o bastante para sondar profundamente sistemas atômicos e também breves o suficiente para capturar o movimento eletrônico em escalas de tempo ultrarrápidas. Essa combinação os torna relevantes para experimentos que buscam examinar a matéria em suas escalas menores e mais rápidas.
Para um laser de elétrons livres de raios X, apenas pulsos curtos não são suficientes para estabelecer uma capacidade científica utilizável. Os pesquisadores precisam de uma forma de caracterizar a energia, o espectro, o formato e a duração do pulso. Sem esse diagnóstico, um pulso ultracurto não pode ser confirmado com a confiança necessária para experimentos que dependem de temporização precisa.
Uso da fluorescência como diagnóstico do pulso
O primeiro autor do estudo, Ichiro Inoue, da Universidade de Tóquio, propôs uma abordagem de medição indireta baseada na emissão espontânea amplificada, ou ASE. A ASE ocorre quando um pulso de raios X intensamente focalizado excita um material e faz com que ele emita fluorescência na direção para a frente. Informações sobre o pulso de raios X original ficam incorporadas nessa fluorescência emitida.
No experimento do LCLS, a equipe gerou um feixe que se acreditava conter raios X em attossegundos. Parte do feixe foi enviada a um detector que mediu sua energia e seu formato espectral. O feixe restante foi focalizado em um ponto de apenas 150 nanômetros de largura sobre uma folha de cobre. Essa interação gerou ASE, capturada por um segundo detector.
Ao usar o sinal de fluorescência junto com as medições do feixe original, os pesquisadores puderam inferir propriedades do pulso de raios X, incluindo sua duração. O diagnóstico forneceu evidências de que os pulsos de raios X duros estavam na faixa de 100 a 400 attossegundos.
Por que a medição importa
A pesquisa com pulsos ultracurtos depende de combinar a ferramenta de temporização com o evento estudado. O movimento eletrônico pode ocorrer muito mais rapidamente do que as mudanças químicas visíveis em escalas de tempo mais longas. Em princípio, um pulso com duração de algumas centenas de attossegundos pode fornecer uma janela temporal muito mais precisa do que flashes de raios X mais longos.
O diagnóstico demonstrado, portanto, acrescenta uma capacidade prática importante à geração de raios X duros em attossegundos. Em vez de depender de uma suposição sobre a duração do pulso, os pesquisadores podem avaliar se o feixe tem as características necessárias para um experimento ultrarrápido.
O trabalho também ilustra o papel dos métodos experimentais no avanço dos instrumentos científicos. O recorde relatado resulta da combinação de geração do feixe, focalização em escala nanométrica, um alvo de cobre e duas medições complementares. Cada elemento foi necessário para transformar um feixe ultrarrápido em um resultado mensurável.
O que vem a seguir
O artigo de origem descreve os pulsos como valiosos para trabalhos nas escalas menores e mais rápidas. Essa perspectiva aponta para estudos nos quais raios X de alta energia podem sondar sistemas atômicos e a temporização em attossegundos pode resolver o comportamento eletrônico rápido. O resultado relatado não descreve, por si só, um material ou processo específico observado com os novos pulsos; ele estabelece e verifica a capacidade do pulso.
Para o LCLS e para o campo mais amplo dos lasers de elétrons livres de raios X, o avanço representa um novo parâmetro de referência de medição: pulsos de raios X duros com energias de fótons próximas de 9 keV e durações de até 100 attossegundos, confirmados por meio de um diagnóstico baseado em ASE. Experimentos futuros poderão se apoiar nessa base quando exigirem tanto o alcance penetrante dos raios X duros quanto a resolução temporal da ciência dos attossegundos.
Pontos principais
- O LCLS mediu pulsos de raios X duros com duração de 100 a 400 attossegundos.
- Os pulsos tinham energias de fótons de cerca de 9 keV.
- A equipe usou a emissão espontânea amplificada de uma folha de cobre como diagnóstico indireto.
- O estudo foi publicado na Nature Photonics.
Este artigo baseia-se em uma reportagem do Phys.org. Leia o artigo original.
Originally published on phys.org
