Desde 1960, quando Theodore Maiman construiu o primeiro laser infravermelho do mundo, os físicos sonhavam em produzir pulsos de laser de raios-X capazes de sondar as escalas ultracurtas e ultrarrápidas de átomos e moléculas.

Este sonho foi finalmente realizado em 2009, quando o primeiro laser de elétrons livres de raios-X (XFEL) rígido do mundo, a Linac Coherent Light Source (LCLS) no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, produziu sua primeira luz. Uma limitação do LCLS e de outros XFELs em seu modo normal de operação é que cada pulso tem uma distribuição de comprimento de onda ligeiramente diferente, e pode haver variabilidade no comprimento e intensidade do pulso. Existem vários métodos para resolver esta limitação, incluindo 'propagação' do laser em um comprimento de onda específico, mas estes ainda ficam aquém da pureza do comprimento de onda dos lasers convencionais.

Agora, Os pesquisadores do SLAC estão desenvolvendo um dispositivo compacto que pode criar pulsos de raios-X de maior qualidade no LCLS com uma abordagem inspirada em lasers ópticos. O novo instrumento pode expandir o alcance dos lasers de raios-X, abrindo novos caminhos experimentais em áreas como biologia, química, ciência e física dos materiais. Suas descobertas recentes foram publicadas na semana passada no Proceedings of the National Academy of Sciences .

"À medida que a ciência de raios-X continua avançando nas próximas décadas, precisamos começar a pensar em tecnologias melhores, "diz o co-autor Claudio Pellegrini, um distinto professor emérito de física na UCLA e professor adjunto no SLAC cujo trabalho lançou as bases científicas para o desenvolvimento do LCLS. "A qualidade atual de nossos pulsos de raios-X pode funcionar por enquanto, mas, para continuar avançando no campo, temos que imaginar continuamente maneiras novas e melhores de criar pulsos de raios-X melhores. "

No circuito

No coração de quase todo laser óptico está um oscilador, que conduz os fótons por uma série de reflexos de espelho em torno do que é conhecido como meio de ganho, um material usado para amplificar a luz, produzindo um feixe cada vez mais intenso em cada loop. Eventualmente, um monocromático, ou cor única, um feixe de laser totalmente coerente é liberado. O objetivo é projetar um oscilador a laser que funcione com raios-X, um desafio de longa data no campo do laser.

Neste dispositivo proposto, os pesquisadores começam enviando um pulso inicial de raios-X do LCLS pela linha de luz. Este pulso passa por um jato de líquido, onde ele cria átomos excitados que produzem uma pequena quantidade de radiação emitida em uma cor distinta movendo-se na mesma direção. Este pulso de laser é refletido por uma série de espelhos dispostos em um loop. Depois de completar o loop, o pulso se junta a um segundo pulso de raio-X de LCLS produzindo um pulso de laser ainda mais brilhante, que faz o mesmo loop. O processo é repetido várias vezes, e com cada loop o pulso do laser se intensifica e se torna mais coerente. Durante o último loop, um dos espelhos é rapidamente trocado, permitindo que esse pulso de laser saia.

"O resultado será um pulso de laser de raios-X totalmente coerente, mais brilhante e mais limpo do que o criado com um XFEL sozinho, "diz o autor principal e associado de pesquisa do SLAC, Alex Halavanau.

Pequeno mas poderoso

O projeto é parte de um esforço de três anos que recentemente recebeu financiamento do DOE. Conforme a equipe continua a desenvolver o dispositivo, eles começarão a testá-lo no LCLS na próxima execução experimental.

"O objetivo é construir um instrumento compacto no LCLS que forneça pulsos de laser de raios-X da mais alta qualidade para sondar a matéria no nível de átomos e moléculas com precisão sem precedentes, "diz o co-autor Uwe Bergmann, um distinto cientista da equipe do SLAC.

“Existem dois outros projetos em andamento na LCLS, XFELO e RAFEL, que visam fornecer pulsos de laser de raios-X de precisão com um oscilador, "Pellegrini acrescenta, referindo-se a projetos que estão em desenvolvimento em colaboração com o Laboratório Nacional de Argonne do DOE e parceiros industriais por meio de financiamento do DOE. "Nosso dispositivo compacto complementará esses instrumentos muito maiores e suas propriedades. Esta pesquisa proporcionará oportunidades interessantes na LCLS nas próximas décadas."