Lasers de elétrons livres de raios-X, como a Linac Coherent Light Source (LCLS) no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, produzem intensos pulsos de raios-X que permitem aos pesquisadores obter imagens de objetos biológicos, como proteínas e outras máquinas moleculares, em alta resolução. Mas esses feixes poderosos podem destruir amostras delicadas, desencadear mudanças que podem afetar o resultado de um experimento e invalidar os resultados.

Para combater isso, pesquisadores usam um método chamado sonda antes de destruir, o que lhes permite coletar informações precisas de amostras no instante antes de serem destruídas, geração de imagens que preservam informações sobre a estrutura molecular de partículas biológicas, como células, proteínas e vírus. Mas até recentemente, não estava claro o quanto esse método poderia ser confiável para medir o comportamento dos elétrons, já que os poderosos raios-X podem afetar os elétrons muito mais rápido do que os átomos. Isso pode limitar a aplicabilidade da técnica a processos químicos ultra-rápidos, como aqueles envolvidos na catálise.

Agora, uma equipe liderada pelos cientistas do SLAC Roberto Alonso-Mori, Dimosthenis Sokaras e Diling Zhu encontraram uma maneira de ter uma ideia precisa de como ajustar o feixe de raios-X para garantir que a estrutura eletrônica não seja danificada antes de medi-la, proporcionando maior confiança nos resultados dos experimentos XFEL. Em um primeiro, a equipe observou como os elétrons se comportavam nos primeiros femtossegundos, ou milionésimos de bilionésimo de segundo, depois que uma amostra de ferro foi explodida com intensos pulsos de laser. Seus resultados, publicado recentemente em Relatórios Científicos , demonstrar como propriedades específicas do feixe de raios-X, como comprimento ou intensidade do pulso, pode afetar os elétrons mais externos de um átomo, que são aqueles que participam da formação e da quebra de ligações durante as reações químicas.

Os resultados permitirão que os cientistas façam o ajuste fino de experimentos com sondas de bombas, em que um pulso de laser inicia uma reação em uma amostra e um pulso de raios-X mede imediatamente o rearranjo dos elétrons. Variando o tempo entre o laser e os pulsos de raios-X, os pesquisadores podem fazer uma série de imagens e agrupá-las em um filme em stop-motion dessas pequenas, movimentos rápidos, oferecendo insights sobre reações químicas ativadas por luz.

"Esses experimentos são uma ferramenta fundamental no programa de pesquisa de nossa equipe, "Sokaras diz." A capacidade de acessar cuidadosamente a faixa 'aceitável' de condições LCLS nos permitirá realizar estudos de sondas de bomba que são confiáveis ​​e sem precedentes. "

A equipe trabalhou em estreita colaboração com o grupo de aceleradores LCLS para fornecer pulsos de raios-X ainda mais curtos do que o normal para estudar como os elétrons se reorganizaram nos primeiros femtossegundos da explosão. Uma câmera de feixe de elétrons, o XTCAV, foi fundamental para medir com precisão o comprimento dos pulsos de raios-X.

Alonso-Mori diz, "O estudo valida métodos que foram usados ​​no LCLS nos últimos anos, resolvendo o debate sobre se eles são válidos ou se os dados coletados já foram alterados nos primeiros femtossegundos pelos intensos pulsos de raios-X. "

Para acompanhar esta pesquisa, a equipe espera sondar a estrutura eletrônica com intensidade ainda maior, aproveitando o progresso recente na formação e controle do feixe de raios-X.

"Isso pode ser usado para entender melhor os estágios iniciais dos processos de formação de matéria densa quente em XFELs, "diz Zhu, "que oferecem uma visão sobre a formação e evolução dos sistemas planetários."