Um dos últimos obstáculos que impedem a fotografia e filmagem de processos que ocorrem na escala de attossegundos, ou seja, bilionésimos de um bilionésimo de segundo, desapareceu. A chave para sua remoção está na natureza aleatória dos processos responsáveis ​​pela formação dos pulsos de laser de raios-X.

Existem apenas alguns lasers de raios-X no mundo hoje. Esses dispositivos sofisticados podem ser usados ​​para registrar até mesmo processos extremamente rápidos, como as mudanças nos estados dos elétrons dos átomos. Os pulsos gerados pelos modernos lasers de raios-X já são curtos o suficiente para permitir a obtenção de fotografias ou mesmo de attofilmes. Contudo, o que permaneceu um problema foi a própria óptica de raios-X. Quando um pulso de raio-X ultracurto sai do laser em que foi criado, pode ser estendido no tempo em mais de uma dúzia de vezes.

Um grupo internacional de físicos sob a supervisão do Dr. Jakub Szlachetko e Dr. Joanna Czapla-Masztafiak do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia e Dr. Yves Kayser do Physikalisch-Technische Bundesanstalt em Berlim provou em Nature Communications que a ótica de raios-X não deve mais ser um obstáculo. A publicação é o resultado de uma pesquisa realizada no Linac Coherent Light Source (LCLS) laser de raios-X no SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia.

"A melhor maneira de se livrar dos problemas com a óptica de raios-X era ... se livrar da óptica de raios-X, "ri o Dr. Szlachetko." Em vez de resolver o problema, nós encontramos uma maneira de contornar isso. É interessante que substituímos a ótica ... por acaso. Literalmente! Mostramos que parâmetros muito melhores do que os atuais pulsos de laser de raios-X podem ser obtidos pelo uso habilidoso de processos de natureza estocástica. "

Não é o primeiro caso na história dos lasers de raios X em que a própria física vem em auxílio dos projetistas. Em lasers clássicos, o elemento chave é o ressonador óptico. Este é um sistema de espelhos que apenas fortalece os fótons de um determinado comprimento de onda, movendo-se em uma determinada direção. Os lasers de raios-X foram por muito tempo considerados impossíveis de construir devido à falta de espelhos capazes de refletir os raios-X. Este obstáculo foi eliminado quando se percebeu que o ressonador poderia ser substituído ... apenas pela física relativística. Quando um elétron é acelerado a uma velocidade próxima à velocidade da luz e passa ao longo de um sistema de muitos ímãs alternadamente orientados, não se move em linha reta, mas se move em torno dele, perdendo energia ao mesmo tempo. Os efeitos relativísticos então forçam o elétron a emitir fótons de alta energia não em qualquer direção aleatória, mas ao longo do curso original do feixe de elétrons (daí o nome:Laser de elétrons livres - FEL).

As grandes esperanças associadas aos lasers de raios X se devem ao fato de que eles podem ser usados ​​para registrar reações químicas. Cada pulso de laser pode fornecer informações sobre o estado atual do elétron do sistema que está sendo observado (átomo ou molécula). Ao mesmo tempo, a energia do pulso é tão alta que imediatamente após registrar a imagem, os objetos iluminados deixam de existir. Felizmente, o processo de observação pode ser repetido muitas vezes. As imagens coletadas durante uma sessão mais longa permitem que os cientistas reconstruam com precisão todos os estágios da reação química estudada.

"A situação pode ser comparada a tentativas de fotografar eventos do mesmo tipo com uma câmera flash. Quando tiramos fotos suficientes de um número suficiente dos mesmos eventos, podemos usá-los para construir um filme com alta precisão, mostrando o que acontece durante um único evento, "explica o Dr. Czapla-Masztafiak e explica:" O problema é que os pulsos gerados nos lasers de raios-X surgem em emissão estimulada de auto-reforço espontâneo e não podem ser totalmente controlados. "

A natureza espontânea dos pulsos significa que nos lasers de raios-X os parâmetros dos pulsos subsequentes não são exatamente os mesmos. Os pulsos aparecem uma vez antes, uma vez mais tarde, eles também diferem ligeiramente na energia dos fótons e em seu número. Na analogia apresentada, isso corresponderia a uma situação em que as fotos subsequentes são tiradas com unidades de flash diferentes, além do que, além do mais, ativado em momentos aleatórios.

A aleatoriedade inevitável dos pulsos de raios-X forçou os físicos a montar equipamentos de diagnóstico óptico adicionais em lasers FEL. Como resultado, mesmo se o laser gerasse um pulso original com duração de attossegundos, foi estendido pela ótica de raios-X para femtossegundos. Acontece que, para registrar os estados eletrônicos de átomos ou moléculas de uma maneira que permita a reconstrução de reações químicas, impulsos com parâmetros precisamente controlados não são necessários.

"A remoção da óptica de raios X também nos permitiu usar pulsos de energia extremamente alta para estudar efeitos não lineares. Isso significa que os átomos começam a ser transparentes aos raios X em algum ponto, que por sua vez está associado a um aumento na absorção em uma faixa diferente de radiação, "explica o Dr. Szlachetko.

O novo método será introduzido em cooperação com a IFJ PAN em experimentos realizados com os atuais lasers de raios-X:European XFEL perto de Hamburgo (Alemanha) e SwissFEL em Villigen (Suíça). O trabalho relacionado com o teste da nova técnica no contexto de experiências químicas foi realizado em estreita cooperação com o Dr. Jacinto Sa do Instituto de Físico-Química da Academia Polaca de Ciências de Varsóvia e da Universidade de Uppsala.

No contexto da técnica proposta, vale ressaltar que no caso da ótica clássica existem algumas limitações puramente físicas relacionadas à resolução dos instrumentos óticos, por exemplo, o famoso limite de difração. Não há limitações físicas no novo método - porque não há ótica. Então, se os lasers de raios-X aparecerem com pulsos ainda mais curtos do que os gerados atualmente, a nova técnica pode ser usada com sucesso com eles.