Riassunto:
Il gruppo di ricerca europeo XFEL (European XFEL) ha annunciato di aver generato con successo un lampo di raggi X duri ultracorti della durata di soli 300 attosecondi circa e di aver stabilito un record mondiale per tali impulsi in termini di intensità e densità di energia. Si prevede che questo risultato aiuterà gli scienziati a osservare il comportamento dinamico degli elettroni all'interno di atomi e molecole con una precisione senza precedenti. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su "Optica".
Gli scienziati sperano da tempo di comprendere il movimento degli elettroni negli atomi e nelle molecole, in modo da acquisire una comprensione più profonda delle reazioni chimiche e persino ottenere in futuro un controllo attivo del comportamento degli elettroni. I raggi X sono uno strumento importante per studiare il movimento degli elettroni, ma anche le radiazioni ad alta energia possono modificare il campione da testare, quindi i ricercatori devono ottenere informazioni sufficienti prima che si verifichino cambiamenti evidenti nel campione.
In questo esperimento, il gruppo di ricerca ha concentrato gli impulsi di raggi X su un'area estremamente piccola, pari a circa un centomillesimo della sezione trasversale di un normale capello umano. Ogni impulso dura circa 300 attosecondi, ovvero solo un miliardesimo di miliardesimo di secondo. L'esperimento è stato completato nell'aprile 2026 presso la stazione sperimentale MID della struttura europea XFEL, utilizzando raggi X duri con lunghezze d'onda estremamente corte.
Yan Jiawei, uno scienziato del Centro tedesco di elettroni e sincrotroni (DESY) che ha partecipato alla ricerca, ha affermato che il team ha dimostrato alcuni anni fa impulsi di raggi X duri ad attosecondi a livello di terawatt, ma generare impulsi forti è solo il primo passo. Ciò che è veramente importante è essere in grado di fornire efficacemente questa energia al campione sperimentale. Grazie a questa svolta, gli scienziati sono stati in grado di utilizzare i raggi X a livello di attosecondi per studiare l’interazione altamente non lineare tra i raggi X e la materia.
Per ottenere una messa a fuoco estrema, i ricercatori hanno utilizzato un avanzato sistema ottico Kirkpatrick-Baez (AKB) giapponese. Ogni impulso di raggi X subisce quattro riflessioni, con due specchi ad altissima precisione responsabili rispettivamente della messa a fuoco verticale e orizzontale. Alla fine, i raggi X vengono compressi in una minuscola area focale di soli 180 x 330 nanometri.
Sulla base dei calcoli relativi all'energia dell'impulso, alla durata e alle dimensioni del fuoco, il team di ricerca ha stimato che l'intensità di picco superava i 10²⁰W per centimetro quadrato. Ichiro Inoue, ricercatore dell’Università di Tokyo, ha affermato che questo risultato batte il record mondiale per gli impulsi ad attosecondi di raggi X duri in termini di intensità e flusso di energia. Tra questi, il flusso di energia viene utilizzato per misurare l’energia ricevuta per unità di superficie, mentre l’intensità riflette ulteriormente la velocità con cui questa energia viene rilasciata.
Per verificare questo calcolo, i ricercatori hanno irradiato questi impulsi ultra-intensi su campioni di fogli di rame. I raggi X espellono gli elettroni dal profondo guscio interno degli atomi di rame, formando posti vacanti elettronici. Quando altri elettroni riempiono questi posti vacanti, viene rilasciata nuova radiazione di raggi X. Ad un'intensità sufficientemente elevata, queste radiazioni possono indurre altri atomi di rame eccitati a emettere più raggi X nella stessa direzione, creando un fenomeno noto come emissione spontanea amplificata (ASE), ottenendo l'amplificazione del segnale.
Anders Madsen, capo della stazione sperimentale MID, ha affermato che osservare questo fenomeno è sembrato quasi magico. La fluorescenza normale emette in tutte le direzioni, indipendentemente dalla direzione del raggio incidente; quando la soglia ASE viene superata, i ricercatori possono vedere chiaramente il raggio restringersi gradualmente e concentrarsi nella direzione in avanti.
I risultati sperimentali mostrano che all'aumentare dell'energia dell'impulso, il segnale ASE inizialmente aumenta rapidamente e poi tende a saturarsi a energie più elevate. I ricercatori hanno sottolineato che questo fenomeno di saturazione si verifica solo a intensità di raggi X estremamente elevate, fornendo così una verifica indipendente delle intensità ultra elevate precedentemente calcolate.
L'XFEL europeo prevede di ricevere e installare il proprio sistema di focalizzazione AKB all'inizio del 2027. I ricercatori hanno affermato che, dopo che il sistema sarà installato e sottoposto a debug, i gruppi di ricerca scientifica di tutto il mondo saranno in grado di utilizzare la stazione sperimentale MID per ottenere lo stesso breve e potente lampo di raggi X, aprendo nuove possibilità per la fisica ultraveloce, la scienza dei materiali, la cinetica delle reazioni chimiche e la ricerca scientifica sui raggi X non lineari.
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