Os raios X tornam o invisível visível:eles permitem que a maneira como os materiais são estruturados seja determinada até o nível dos átomos individuais. Na década de 1950, foram os raios X que revelaram a estrutura de dupla hélice do DNA. Com novas fontes de raios-x, como o laser de elétrons livres XFEL em Hamburgo, é até possível "filmar" reações químicas. Os resultados obtidos em estudos com essas novas fontes de raios X podem estar prestes a se tornarem ainda mais precisos. Uma equipe em torno de Kilian Heeg, do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, agora encontrou uma maneira de tornar o espectro dos pulsos de raios-X emitidos por essas fontes ainda mais estreito. Em contraste com os lasers padrão, que geram luz de uma única cor e comprimento de onda, As fontes de raios X geralmente produzem pulsos com um amplo espectro de comprimentos de onda diferentes. Em breve, pulsos mais nítidos podem conduzir a aplicações que antes não eram viáveis. Isso inclui testar constantes físicas e medir comprimentos e tempos de forma ainda mais precisa do que pode ser alcançado atualmente.

Os pesquisadores usam luz e outras radiações eletromagnéticas para desenvolver novos materiais no trabalho em eletrônica, automóveis, aeronaves ou usinas de energia, bem como para estudos sobre biomoléculas, como a função de proteínas. A radiação eletromagnética também é a ferramenta de escolha para observar reações químicas e processos físicos nas faixas micro e nano. Diferentes tipos de espectroscopia usam diferentes comprimentos de onda individuais para estimular oscilações características em componentes específicos de uma estrutura. Quais comprimentos de onda interagem com a estrutura - os físicos usam o termo ressonância - nos diz algo sobre sua composição e como são construídos; por exemplo, como os átomos dentro de uma molécula são organizados no espaço.

Em contraste com a luz visível, que tem uma energia muito menor, raios-x podem desencadear ressonância não apenas na camada de elétrons de um átomo, mas também no fundo do núcleo atômico, seu núcleo. A espectroscopia de raios-X, portanto, fornece um conhecimento único sobre os materiais. Além disso, as ressonâncias de alguns núcleos atômicos são muito nítidas, em princípio permitindo medições extremamente precisas.

Fontes de raios-X geram flashes ultracurtos com amplo espectro

Fontes modernas de raios-x, como o laser de elétrons livres XFEL em Hamburgo e o PETRA III (Hamburgo), e fontes síncrotron ESRF (Grenoble) são os principais candidatos para a realização de tais estudos. Lasers de elétrons livres, em particular, são otimizados para gerar flashes de raios-X muito curtos, que são usados ​​principalmente para estudar processos muito rápidos no mundo microscópico de átomos e moléculas. Pulsos de luz ultracurtos, Contudo, por sua vez, têm um amplo espectro de comprimentos de onda. Consequentemente, apenas uma pequena fração da luz está no comprimento de onda certo para causar ressonância na amostra. O resto passa direto pela amostra, tornando a espectroscopia de ressonâncias nítidas bastante ineficiente.

É possível gerar um espectro de raios-X muito nítido - ou seja, raios-X de um único comprimento de onda - usando filtros; Contudo, uma vez que isso envolve a remoção de comprimentos de onda não utilizados, o sinal de ressonância resultante ainda é fraco.

O novo método desenvolvido pelos pesquisadores em Heidelberg oferece um aumento de três a quatro vezes na intensidade do sinal de ressonância. Junto com cientistas do DESY em Hamburgo e ESRF em Grenoble, Kilian Heeg e Jörg Evers da Divisão de Christoph Keitel e uma equipe em torno de Thomas Pfeifer no Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg conseguiram fazer com que parte da radiação de raios X que normalmente não interagiria com a amostra contribuísse para o sinal de ressonância. Eles testaram com sucesso seu método em núcleos de ferro no ESRF em Grenoble e no síncrotron PETRA III de DESY em Hamburgo.

Um pequeno choque amplifica a radiação

A abordagem dos pesquisadores para amplificar os raios-x é baseada no fato de que, quando os raios-x interagem com os núcleos de ferro (ou quaisquer outros núcleos) para produzir ressonância, eles são reemitidos após um pequeno atraso. Esses raios X reemitidos ficam então exatamente na metade do comprimento de onda atrás da parte da radiação que passou direto. Isso significa que os picos de uma onda coincidem exatamente com os vales da outra onda, com o resultado de que eles se cancelam. Esta interferência destrutiva atenua os pulsos de raios-X no comprimento de onda ressonante, que também é a origem fundamental da absorção da luz.

"Utilizamos a janela de tempo de cerca de 100 nanossegundos antes de os núcleos de ferro reemitirem os raios-x, "explica o líder do projeto Jörg Evers. Durante esta janela de tempo, os pesquisadores movem a folha de ferro em cerca de 40 bilionésimos de milímetro (0,4 angstroms). Esse pequeno choque tem o efeito de produzir interferência construtiva entre as ondas de luz emitidas e transmitidas. "É como se dois rios, as ondas em um dos quais são compensadas por meio comprimento de onda das ondas do outro, Conheça, "diz Evers, "e você desloca um dos rios exatamente nesta distância." Isso tem o efeito de que, depois que os rios se encontram, as ondas dos dois rios se movem no mesmo ritmo. Os picos das ondas coincidem com os picos das ondas e as ondas amplificam, ao invés de atenuar, uns aos outros. Este truque, Contudo, não funciona apenas na luz nos comprimentos de onda de ressonância, mas também tem o efeito reverso (isto é, atenuação) em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda em torno do comprimento de onda de ressonância. Kilian Heeg diz assim. "Colocamos na ressonância radiação de raios-x não utilizada de outra forma."

Para permitir que os físicos movam a folha de ferro com rapidez e precisão suficientes, é montado em um cristal piezoelétrico. Este cristal se expande ou se contrai em resposta a uma voltagem elétrica aplicada. Usando um programa de computador especialmente desenvolvido, os pesquisadores baseados em Heidelberg foram capazes de ajustar o sinal elétrico que controla o cristal piezoelétrico para maximizar a amplificação do sinal de ressonância.

Aplicações em medição de comprimento e relógios atômicos

Os pesquisadores vêem uma ampla gama de aplicações potenciais para sua nova técnica. De acordo com Thomas Pfeifer, o procedimento irá expandir a utilidade de novas fontes de raios-X de alta potência para espectroscopia de raios-X de alta resolução. Isso permitirá uma modelagem mais precisa do que acontece nos átomos e moléculas. Pfeifer também enfatiza a utilidade da técnica em metrologia, em particular para medições de alta precisão de comprimentos e a definição mecânica quântica de tempo. "Com raios-x, é possível medir comprimentos 10, 000 vezes mais precisão do que com a luz visível, "explica Pfeifer. Isso pode ser usado para estudar e otimizar nanoestruturas, como chips de computador e baterias recém-desenvolvidas. Pfeifer também prevê relógios atômicos de raios-X que são muito mais precisos do que até mesmo os relógios atômicos ópticos mais avançados hoje em dia baseados na luz visível.

Não menos importante, uma melhor espectroscopia de raios-X poderia nos permitir responder a uma das grandes questões não respondidas da física - se as constantes físicas são realmente constantes ou se mudam lentamente com o tempo. Se o último fosse verdade, as linhas de ressonância desviariam lentamente com o tempo. Espectros de raios-X extremamente nítidos tornariam possível determinar se este é o caso em um período relativamente curto.

Evers avalia que, uma vez maduro, a técnica seria relativamente fácil de integrar em experimentos no DESY e ESRF. “Deveria ser possível fazer um dispositivo do tamanho de uma caixa de sapato que pudesse ser instalado rapidamente e, de acordo com nossos cálculos, poderia permitir uma amplificação de aproximadamente 10 vezes, " ele adiciona.