Instalações modernas de laser de raios-X, como a Linac Coherent Light Source (LCLS) no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, permitem que os cientistas estudem como a natureza se comporta em escalas ultra-pequenas e ultra-rápidas. Contudo, os pulsos de raios-X individuais são instáveis, flutuando de tiro a tiro, e produzir muito ruído de fundo que pode obscurecer o sinal em experimentos de alta resolução.

Agora, Os cientistas do SLAC desenvolveram um método para produzir raios-X mais brilhantes, mais estáveis ​​e coerentes, com comprimentos de onda mais sincronizados entre si. Isso pode aumentar a eficiência da coleta de dados e abrir caminho para novos tipos de experimentos. Seus resultados foram publicados recentemente em Cartas de revisão física .

Ferramentas para a ciência

Nos últimos anos, a equipe tem procurado maneiras de melhorar o desempenho do LCLS melhorando a qualidade de seus pulsos.

"Produzir um laser de raio-X perfeito é um dos objetivos principais de nossa comunidade." diz o co-autor e cientista do SLAC Zhen Zhang. "Queríamos encontrar uma maneira de fazer os pulsos de raios-X se assemelharem aos de um laser óptico clássico, que são estáveis ​​e coerentes. "

Bob Schoenlein, Deputado LCLS para Ciência, afirma que essa pesquisa tornará os XFELs ferramentas ainda mais importantes e versáteis para a ciência.

"Esta é uma abordagem muito promissora para controlar as propriedades de coerência de pulsos de raios-X LCLS, "Ele diz." Isso permitirá estudos de materiais complexos e sistemas moleculares com resolução requintada em tempo e energia. "

O melhor de dois mundos

Os pesquisadores estudaram as abordagens existentes para gerar pulsos de raios-X mais limpos, como filtrar os pulsos ruidosos e reinjetá-los no XFEL usando um conceito chamado "auto-propagação, "mas descobriu que há uma compensação fundamental entre pulsos altamente coerentes e altamente estáveis. No método tradicional de auto-semeadura, não era possível ter os dois ao mesmo tempo.

Eles perceberam que precisavam adotar uma abordagem totalmente diferente para contornar esse problema. Foi quando o autor principal e cientista do SLAC, Erik Hemsing, teve a ideia de esticar os pulsos de raios-X ultracurtos, cujas propriedades únicas permitem aos pesquisadores estabilizar e purificar os pulsos.

"Em vez de filtrar o longo, pulsos ruidosos, como é feito na auto-semeadura convencional, percebemos que deveríamos primeiro produzir pulsos coerentes ultracurtos e, em seguida, esticá-los e amplificá-los, "Hemsing diz." Por aqui, de acordo com nossos estudos, somos capazes de aumentar significativamente a estabilidade e a coerência ao mesmo tempo. "

O conceito se baseia no fato de que os pulsos ultracurtos podem ser muito menos barulhentos e mais coerentes do que os pulsos longos, particularmente se atingirem sua potência máxima. O problema é que os pulsos curtos não transportam muita energia e não são ideais para certas aplicações científicas de alta resolução. Os pesquisadores descobriram uma maneira de filtrar esses pulsos, em seguida, amplifique-os por um fator de 10, 000

"Isso nos permite obter os resultados que desejamos sem grandes modificações na configuração existente, "diz o co-autor e associado de pesquisa do SLAC, Alex Halavanau.

Colocando à prova

Para acompanhar esta pesquisa, a equipe espera testar a ideia no LCLS. No futuro, Halavanau diz, eles gostariam de estender a técnica para raios-X "duros" mais enérgicos, e usar novo, pulsos de raios X suaves personalizados habilitados por esta técnica para compreender melhor a física dos átomos, fótons e elétrons.

Zhirong Huang, diretor da Divisão de Pesquisa do Acelerador SLAC, diz:"Estamos ansiosos para colocar essa ideia para funcionar no novo ondulador de raios-X macio que estará online em breve para o LCLS-II."