p Pesquisadores do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia inventaram uma maneira de observar os movimentos dos elétrons com rajadas de laser de raios-X de apenas 280 attossegundos, ou bilionésimos de um bilionésimo de segundo, grande. p A tecnologia, chamado de geração de pulso de attossegundo aprimorado por raio-X (XLEAP), é um grande avanço pelo qual os cientistas vêm trabalhando há anos, e abre caminho para estudos inovadores de como os elétrons que se movem em torno das moléculas iniciam processos cruciais na biologia, química, ciência dos materiais e muito mais.

p A equipe apresentou seu método hoje em um artigo na Nature Photonics .

p "Até agora, poderíamos observar precisamente os movimentos dos núcleos atômicos, mas os movimentos de elétrons muito mais rápidos que realmente conduzem as reações químicas foram borrados, "disse o cientista do SLAC James Cryan, um dos principais autores do artigo e investigador do Stanford PULSE Institute, um instituto conjunto do SLAC e da Universidade de Stanford. “Com este avanço, poderemos usar um laser de raios-X para ver como os elétrons se movem e como isso prepara o terreno para a química que se segue. Ele empurra as fronteiras da ciência ultrarrápida. "

p Estudos sobre essas escalas de tempo podem revelar, por exemplo, como a absorção de luz durante a fotossíntese empurra elétrons quase instantaneamente e inicia uma cascata de eventos muito mais lentos que, em última análise, geram oxigênio.

p "Com o XLEAP, podemos criar pulsos de raios-X com a energia certa que são mais de um milhão de vezes mais brilhantes do que os pulsos de attossegundos de energia semelhante antes, "disse o cientista do SLAC, Agostino Marinelli, Líder do projeto XLEAP e um dos autores principais do artigo. "Isso nos permitirá fazer muitas coisas que as pessoas sempre quiseram fazer com um laser de raios X - e agora também em escalas de tempo de attossegundos."

p Um salto para a ciência ultrarrápida de raios-X

p Um attossegundo é um período de tempo incrivelmente curto - dois attossegundos estão para um segundo, assim como um segundo está para a idade do universo. Nos últimos anos, os cientistas fizeram muito progresso na criação de pulsos de raios-X de attossegundo. Contudo, esses pulsos eram muito fracos ou não tinham a energia certa para atingir os movimentos rápidos dos elétrons.

p Nos últimos três anos, Marinelli e seus colegas estão descobrindo como um método de raio-X a laser sugerido 14 anos atrás poderia ser usado para gerar pulsos com as propriedades certas - um esforço que resultou no XLEAP.

p Em experimentos realizados pouco antes de as equipes começarem a trabalhar em uma grande atualização do laser de raios-X Linac Coherent Lightsource (LCLS) do SLAC, a equipe XLEAP demonstrou que podem produzir pares precisamente cronometrados de pulsos de raios-X de attossegundos que podem colocar elétrons em movimento e então registrar esses movimentos. Esses instantâneos podem ser agrupados em filmes de ação interrompida.

p Linda Young, um especialista em ciência de raios-X do Laboratório Nacional de Argonne do DOE e da Universidade de Chicago que não esteve envolvido no estudo, disse, "XLEAP é um avanço verdadeiramente grande. Seus pulsos de raios-X attosegundos de intensidade e flexibilidade sem precedentes são uma ferramenta inovadora para observar e controlar o movimento do elétron em locais atômicos individuais em sistemas complexos."

p Lasers de raios-X como LCLS geram rotineiramente flashes de luz que duram alguns milionésimos de bilionésimo de segundo, ou femtossegundos. O processo começa com a criação de um feixe de elétrons, que são agrupados em pacotes curtos e enviados através de um acelerador de partículas linear, onde eles ganham energia. Viajando quase na velocidade da luz, eles passam por um ímã conhecido como ondulador, onde parte de sua energia é convertida em rajadas de raios-X.

p Quanto mais curtos e brilhantes os feixes de elétrons, quanto mais curtas as rajadas de raios-X que eles criam, portanto, uma abordagem para fazer pulsos de raios-X de attossegundo é comprimir os elétrons em grupos cada vez menores com alto brilho de pico. O XLEAP é uma maneira inteligente de fazer exatamente isso.

p Fazendo attosegundos pulsos de laser de raios-X

p Na LCLS, a equipe inseriu dois conjuntos de ímãs na frente do ondulador que lhes permitiu moldar cada feixe de elétrons na forma necessária:um intenso, pico estreito contendo elétrons com uma ampla gama de energias.

p "Quando enviamos esses picos, que têm comprimentos de pulso de cerca de um femtossegundo, através do ondulador, eles produzem pulsos de raios-X que são muito mais curtos do que isso, "disse Joseph Duris, um cientista da equipe do SLAC e coautor do artigo. Os pulsos também são extremamente poderosos, ele disse, com alguns deles atingindo a potência de pico de meio terawatt.

p Para medir esses pulsos de raios-X incrivelmente curtos, os cientistas projetaram um dispositivo especial no qual os raios X disparam através de um gás e tiram alguns de seus elétrons, criando uma nuvem de elétrons. A luz polarizada circularmente de um laser infravermelho interage com a nuvem e dá um chute nos elétrons. Por causa da polarização particular da luz, alguns dos elétrons acabam se movendo mais rápido do que outros.

p "A técnica funciona de forma semelhante a outra ideia implementada no LCLS, que mapeia o tempo em ângulos como os braços de um relógio, "disse Siqi Li, um artigo coautor do primeiro e recente Ph.D. de Stanford "Isso nos permite medir a distribuição das velocidades e direções dos elétrons, e a partir disso podemos calcular o comprimento do pulso de raios-X. "

p Próximo, a equipe XLEAP otimizará ainda mais seu método, o que poderia levar a pulsos ainda mais intensos e possivelmente mais curtos. Eles também estão se preparando para LCLS-II, a atualização do LCLS que irá disparar até um milhão de pulsos de raios-X por segundo - 8, 000 vezes mais rápido do que antes. Isso permitirá que os pesquisadores façam experiências com as quais sempre sonharam, como estudos de moléculas individuais e seu comportamento nas escalas de tempo mais rápidas da natureza.