Os lasers de elétrons livres de raios-X (XFELs) produzem feixes de luz incrivelmente poderosos que permitem estudos sem precedentes dos movimentos ultrarrápidos dos átomos na matéria. Para interpretar os dados obtidos com essas fontes de luz extraordinárias, os pesquisadores precisam de uma compreensão sólida de como os pulsos de raios-X interagem com a matéria e como essas interações afetam as medições.

Agora, simulações de computador feitas por cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia sugerem que um novo método poderia transformar as flutuações aleatórias na intensidade dos pulsos de laser de um incômodo em uma vantagem, facilitando estudos dessas interações fundamentais. O segredo é aplicar um método conhecido como "imagem fantasma, "que reconstrói a aparência dos objetos sem nunca registrar diretamente suas imagens.

"Em vez de tentar tornar os pulsos XFEL menos aleatórios, que é a abordagem que buscamos com mais frequência para nossos experimentos, na verdade, queremos usar aleatoriedade neste caso, "disse James Cryan do Stanford PULSE Institute, um instituto conjunto da Universidade de Stanford e SLAC. "Nossos resultados mostram que, ao fazer isso, podemos contornar alguns dos desafios técnicos associados ao método atual para estudar as interações de raios-X com a matéria. "

A equipe de pesquisa publicou seus resultados em Revisão Física X .

Aproveitando os picos de raios-X

Os cientistas costumam olhar para essas interações por meio de experimentos com bomba-sonda, em que eles enviam pares de pulsos de raios-X através de uma amostra. O primeiro pulso, chamado de pulso da bomba, reorganiza como os elétrons são distribuídos na amostra. O segundo pulso, chamado de pulso de sonda, investiga os efeitos que esses rearranjos têm sobre os movimentos dos elétrons e núcleos atômicos da amostra. Ao repetir o experimento com atrasos de tempo variados entre os pulsos, pesquisadores podem fazer um filme stop-motion do minúsculo, movimentos rápidos.

Um dos desafios é que os lasers de raios-X geram pulsos de luz em um processo aleatório, de modo que cada pulso é na verdade um trem de estreitos picos de raios-X cujas intensidades variam aleatoriamente entre os pulsos.

"Os experimentos de bomba-sonda, portanto, normalmente requerem que primeiro preparemos bem definidos, pulsos curtos que são menos aleatórios, "disse Daniel Ratner do SLAC, o principal autor do estudo. "Além disso, precisamos controlar muito bem o intervalo de tempo entre eles."

Na nova abordagem, ele disse, "Não teríamos que nos preocupar com nada disso. Usaríamos pulsos de raios-X conforme eles saíssem do XFEL, sem modificações adicionais."

Na verdade, nesta nova maneira de pensar, cada par de picos dentro de um único pulso de raios-X pode ser considerado um par de pulsos de bomba e sonda, assim, os pesquisadores puderam fazer muitas medições com a sonda de bomba com um único tiro do XFEL.

Tirando fotos fantasmagóricas

Para produzir instantâneos dos movimentos moleculares de uma amostra com este método, Ratner e seus colegas de trabalho querem aplicar a técnica de imagem fantasma.

Na imagem convencional, a luz que incide sobre um objeto produz uma imagem bidimensional em um detector - seja na parte de trás do seu olho, o sensor megapixel do seu telefone celular ou um detector de raios-X avançado. Imagem fantasma, por outro lado, constrói uma imagem analisando como os padrões aleatórios de luz brilhando no objeto afetam a quantidade total de luz que sai do objeto.

"Em nosso método, os padrões aleatórios são as estruturas de pico flutuantes de pulsos XFEL individuais, "disse o co-autor Siqi Li, um estudante de graduação no SLAC e Stanford e autor principal de um estudo anterior que demonstrou imagens fantasmas usando elétrons. “Para fazer a reconstrução da imagem, precisamos repetir o experimento muitas vezes - cerca de 100, 000 vezes em nossas simulações. Cada vez, medimos o perfil de pulso com uma ferramenta de diagnóstico e analisamos o sinal emitido pela amostra. "

Em um processo computacional que empresta ideias de aprendizado de máquina, os pesquisadores podem então transformar esses dados em uma visualização dos efeitos do pulso de raios-X na amostra.

Uma ferramenta complementar

Até aqui, a nova ideia foi testada apenas em simulações e aguarda validação experimental, por exemplo, no Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC, laser de raios-X, uma facilidade de usuário do DOE Office of Science. Ainda, os pesquisadores já estão convencidos de que seu método pode complementar os experimentos convencionais com bomba-sonda.

"Se os testes futuros forem bem-sucedidos, o método pode fortalecer nossa capacidade de olhar para processos muito fundamentais em experimentos XFEL, "Ratner disse." Também ofereceria algumas vantagens que gostaríamos de explorar. "Isso inclui mais estabilidade, reconstrução de imagem mais rápida, menos danos à amostra e a perspectiva de fazer experimentos em escalas de tempo cada vez mais rápidas.