Os físicos da ETH Zurich desenvolveram a primeira fonte de laser de alta taxa de repetição que produz raios X suaves e coerentes cobrindo toda a "janela de água". Esse avanço tecnológico pode permitir uma ampla gama de estudos na área biológica, ciências químicas e materiais, bem como na física.

A capacidade de gerar pulsos de luz de duração subfemtossegundo, demonstrado pela primeira vez há cerca de 20 anos, deu origem a um campo inteiramente novo:attosecond ciência e tecnologia. Surgiram sistemas de laser de mesa que permitem estudos que antes não eram possíveis, permitindo que os pesquisadores sigam, imagem e caracterizar processos eletrônicos em átomos, moléculas e sólidos em seu natural, escalas de tempo de attosegundos.

Os sistemas de laser que tornam tais estudos possíveis normalmente operam na banda espectral ultravioleta extrema. Contudo, há muito há um esforço para alcançar energias mais altas de fótons. De particular interesse é a chamada janela de água, ocupada por radiação de raios-X suave com comprimentos de onda entre 2,2 e 4,4 nm. Essa janela espectral deve seu nome e significado ao fato de que, nessas frequências, fótons não são absorvidos pelo oxigênio (e, portanto, pela água), mas eles são de carbono. Isso é ideal para estudar moléculas orgânicas e espécimes biológicos em seu ambiente aquoso natural.

Hoje, existe um punhado de fontes de attossegundos abrangendo esta faixa de frequência, mas sua aplicabilidade é limitada por taxas de repetição relativamente baixas de 1 kHz ou abaixo, o que, por sua vez, significa taxas de contagem baixas e relações sinal-ruído fracas. Escrevendo em Optica , Justinas Pupeikis e colegas do grupo Ultrafast Laser Physics da Prof. Ursula Keller no Institute for Quantum Electronics relataram uma inovação que supera as limitações de fontes anteriores. Eles apresentam a primeira fonte de raio-X suave que abrange toda a janela de água a uma taxa de repetição de 100 kHz, uma melhoria cem vezes maior em relação às fontes de última geração.

Um impulso na capacidade tecnológica

O gargalo na produção de raios X suaves em altas taxas de repetição tem sido a falta de sistemas de laser adequados para conduzir o processo chave subjacente à geração de pulso de attossegundo em sistemas de mesa. Esse processo é conhecido como geração de alta harmônica, e envolve um pulso de laser de femtossegundo intenso interagindo com um alvo, normalmente um gás atômico. A resposta eletrônica não linear do alvo causa então a emissão de pulsos de attossegundos em um múltiplo de ordem ímpar da frequência do campo de laser de acionamento. Para garantir que a resposta contenha fótons de raios-X abrangendo o intervalo da janela de água, a fonte de femtossegundos deve operar na faixa do infravermelho médio. Também, ele deve fornecer pulsos de potência de pico alto. E tudo isso com altas taxas de repetição. Essa fonte não existia até agora.

Pupeikis et al. aceitou o desafio e melhorou sistematicamente um layout que já havia explorado em trabalhos anteriores, com base na amplificação de pulso chirped paramétrico óptico (ou OPCPA para breve). Eles haviam estabelecido antes que a abordagem é promissora com o objetivo de obter fontes de infravermelho médio de alta potência, mas melhorias substanciais ainda eram necessárias para atingir o desempenho necessário para a geração de alta harmônica de fótons de raios-X na janela de água. Em particular, eles empurraram a potência de pico de anteriormente de 6,3 GW para 14,2 GW, e eles alcançaram uma potência média de 25 W para pulsos um pouco mais longos do que duas oscilações do campo óptico subjacente (16,5 fs). O pico de potência demonstrado é o mais alto relatado até agora para qualquer sistema de alta taxa de repetição com um comprimento de onda acima de 2 μm (ver figura, painel a).

Pronto para a sala de raios-X

Com este nível de desempenho à sua disposição, a equipe estava pronta para a próxima fase, upconversion de frequência através da geração de harmônicos elevados. Por isso, o feixe de saída do OPCPA foi encaminhado através de um sistema de periscópio para outro laboratório a mais de 15 m de distância, para acomodar as restrições de espaço do laboratório local. Lá, o feixe encontrou um alvo de hélio mantido a uma pressão de 45 bar. Essa pressão alta era necessária para a correspondência de fase entre o infravermelho e a radiação de raios-X, e, portanto, eficiência de conversão de energia ideal.

Assim que todas as peças estiverem no lugar, o sistema entregue, geração de radiação de raios-X suave coerente que se estende a uma energia de 620 eV (comprimento de onda de 2 nm), cobrindo toda a janela d'água - uma conquista notável em relação a outras fontes de alta taxa de repetição nesta faixa de frequência (veja a figura, painel b).

Uma janela de oportunidade

Esta demonstração abre um vasto espectro de novas oportunidades. Imagem coerente na região espectral da janela de água, altamente relevante para química e biologia, deve ser possível com uma configuração compacta. Ao mesmo tempo, a alta taxa de repetição disponível aborda as limitações devido à formação de carga espacial que assola os experimentos de fotoemissão com fontes pulsadas. Além disso, a janela de água compreende não apenas as bordas K do carbono, nitrogênio e oxigênio, mas também as arestas L e M de uma série de metais, que agora pode ser estudado com maior sensibilidade ou especificidade.

Com perspectivas tão brilhantes, a realização da fonte anuncia o início da próxima geração de tecnologia attosegundo, em que os pesquisadores podem fazer uso combinado de altas taxas de repetição e altas energias de fótons pela primeira vez. Uma linha de luz de attosegundo projetada para explorar esses novos recursos está atualmente em construção no laboratório Keller.