Cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia descobriram uma maneira de triplicar a quantidade de energia gerada pelo laser de raios-X mais poderoso do mundo. A nova técnica, desenvolvido na Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, permitirá aos pesquisadores observar a estrutura atômica de moléculas e processos químicos ultrarrápidos que antes eram indetectáveis ​​em escala atômica.

Os resultados, publicado em um estudo de 3 de janeiro em Cartas de revisão física ( PRL ), ajudará a resolver mistérios de longa data sobre a fotossíntese e outros processos químicos fundamentais na biologia, medicina e ciência dos materiais, de acordo com os pesquisadores.

"LCLS produz os pulsos de raios-X mais poderosos do mundo, que os cientistas usam para criar filmes de átomos e moléculas em ação, "disse Marc Guetg, pesquisador associado do SLAC e autor principal do estudo PRL. "Nossa nova técnica triplica a potência desses pulsos curtos, permitindo maior contraste. "

Wiggles Magnéticos

Os pulsos de raios-X no LCLS são gerados alimentando feixes de elétrons de alta energia por meio de uma longa matriz de ímãs. Os elétrons, que viajam perto da velocidade da luz, balance para a frente e para trás conforme eles passam ao longo dos ímãs. Esse movimento oscilante faz com que os elétrons emitam poderosos pulsos de raios-X que podem ser usados ​​para imagens em nanoescala.

"Quando você imagina uma estrutura atômica, você tem uma corrida acontecendo, "disse o co-autor do estudo Uwe Bergmann, um distinto cientista da equipe do SLAC. "Você precisa de um pulso de raios-X forte o suficiente para obter uma boa imagem, mas esse pulso destruirá a própria estrutura que você está tentando medir. Contudo, se o pulso for curto o suficiente, cerca de 10 femtossegundos, você pode superar os danos. Você pode tirar a foto antes que o paciente sinta a dor. "

Um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de um segundo. Gerar pulsos de raios-X de alta potência que duram apenas 10 femtossegundos tem sido um grande desafio.

"O truque é ter os elétrons compactados o mais firmemente possível quando eles começarem a se mexer, "Guetg explicou." É difícil de fazer, porque os elétrons não gostam uns dos outros. Eles são todos carregados negativamente, então eles se repelem. É uma batalha. Estamos constantemente tentando forçá-los a ficarem juntos, e eles estão constantemente tentando se separar. "

Para vencer a batalha, Guetg e seus colegas do SLAC usaram uma combinação especial de ímãs projetada para aproximar os elétrons antes de começarem a emitir raios-X.

"Um problema quando você comprime os elétrons é que eles começam a chutar uns aos outros, "Guetg disse." Como resultado, o feixe de elétrons fica inclinado, o que prejudica a produção de luz e, portanto, a potência dos pulsos de raios-X. "

Em estudos anteriores, Guetg havia teorizado que corrigir a inclinação iria comprimir os elétrons e produzir mais curtos, rajadas mais poderosas de raios-X.

"O feixe de elétrons tem a forma de uma banana, "disse o co-autor Zhirong Huang, professor associado do SLAC e da Universidade de Stanford. "Corrigimos a curvatura da banana para torná-la reta, feixe de lápis. "

Resultados dramáticos

Os resultados foram dramáticos. Endireitar o feixe aumentou a potência dos pulsos de raios-X em 300 por cento, e cada pulso durou apenas 10 femtossegundos.

"De uma forma engenhosa, Marc e seus colegas foram capazes de comprimir esses elétrons como uma panqueca antes que eles se separassem, "Disse Bergmann." Isso permitiu que eles criassem pulsos de raios-X muito curtos, de cerca de 1, 000 vezes mais poderoso do que se você focalizasse toda a luz do sol que atinge a Terra em um centímetro quadrado. É um poder incrível. "

Bergmann já usou a nova técnica para criar imagens em nanoescala de metais de transição, como o manganês, que é essencial para dividir a água para formar moléculas de oxigênio (O2) durante a fotossíntese.

"Ao expandir a fronteira da ciência do laser, agora podemos ver mais e, com sorte, aprender mais sobre reações químicas e processos moleculares, " ele disse.

A equipe SLAC espera desenvolver seus resultados em experimentos futuros.

“Queremos tornar a nova técnica operacional e robusta para que qualquer pessoa possa usá-la, "Huang disse." Também queremos continuar melhorando a potência com esta técnica e outras. Eu não chamaria isso de limite final. "