Pulsos de raios-X duros de femtossegundo são uma ferramenta importante para desvendar mudanças estruturais da matéria condensada em escalas de tempo e comprimento atômico. Uma nova fonte de raios-X movida a laser fornece pulsos Kα de cobre de femtossegundo a uma taxa de repetição de 1 kHz com um fluxo sem precedentes de cerca de 10 ¹² Fótons de raios-X por segundo.

Processos elementares em física, química, e a biologia está conectada com mudanças da estrutura atômica ou molecular em uma escala de tempo de femtossegundo (1 femtossegundo (fs) =10 ^-15 segundos). Os métodos de raios-X ultrarrápidos têm grande potencial para acompanhar as mudanças estruturais no espaço e no tempo e gerar 'filmes' dos movimentos dos elétrons, átomos e moléculas. Essa perspectiva resultou em uma forte demanda por pulsos de raios-X duros de femtossegundos para serem aplicados em espalhamento de raios-X e espectroscopia.

Existem duas abordagens principais para gerar pulsos de raios-X duros ultracurtos. As primeiras são fontes baseadas em aceleradores e onduladores de elétrons em grande escala, nos quais feixes de elétrons de femtossegundos irradiam pulsos de raios-X brilhantes. O segundo são fontes de laboratório de pequeno porte acionadas por lasers ópticos intensos de femtosegundo. Aqui, a aceleração de elétrons ocorre no campo elétrico forte de um pulso óptico e pulsos de raios-X são gerados pela interação colisional de tais elétrons com átomos de um alvo de metal, semelhante a um tubo de raios-X convencional.

Pesquisadores do Instituto Max Born (MBI) em Berlim agora realizaram um avanço na geração de mesa de pulsos de raios-X de femtossegundo, demonstrando um trem de pulso estável na taxa de repetição de quilohertz com um fluxo total de cerca de 10 ¹² Fótons de raios-X por segundo. Conforme eles relatam em Cartas de Óptica , a combinação de um novo driver óptico fornecendo pulsos de infravermelho médio de femtossegundos em torno de um comprimento de onda de 5 μm (5000 nm) com um alvo de fita metálica em uma geometria de transmissão permite a geração de pulsos de raios-X duros em um comprimento de onda de 0,154 nm com eficiência muito alta.

O driver óptico é baseado na amplificação de pulso chirped paramétrico óptico (OPCPA) e fornece pulsos de 80 fs em um comprimento de onda central de 5 μm com uma energia de 3 mJ e uma taxa de repetição de 1 kHz. Para gerar pulsos de raios-X, os pulsos de infravermelho médio são fortemente focados em um alvo de cobre fino (Fig. 1). Em um ciclo óptico do campo óptico, elétrons são extraídos da fita de cobre, acelerado no vácuo e direcionado de volta ao alvo. Elétrons com energia cinética de até 100 keV reentram no alvo e geram pulsos Kα de cobre brilhante em um comprimento de onda de 0,154 nm, acompanhado por bremsstrahlung espectralmente amplo. O ciclo óptico mais longo dos pulsos do infravermelho médio em comparação com os pulsos em comprimentos de onda ópticos mais curtos resulta em tempos de aceleração mais longos dos elétrons, energias cinéticas mais altas, e, eventualmente, maior eficiência na geração de raios-X (Fig. 2).

A nova fonte de raios-X de mesa atinge um número médio de fótons Cu-Kα de até 1,5x10 ⁹ fótons por pulso no ângulo sólido completo ou 1,5x10 ¹² fótons por segundo (pontos azuis na Fig 2c). Este fluxo de fótons é 30 vezes maior do que as fontes de raios-X de mesa comumente usadas conduzidas por lasers de Ti:safira no comprimento de onda central de 0,8 μm (pontos pretos na Fig 2c). Esses parâmetros de fonte abrem perspectivas interessantes para a investigação de mudanças ultra-rápidas na estrutura da matéria condensada por espalhamento de raios-X resolvido no tempo.