Uma grande equipe internacional de cientistas de várias organizações de pesquisa, incluindo o Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), desenvolveu um método que melhora drasticamente a resolução de tempo já ultrarrápida alcançável com lasers de elétrons livres de raios-X (XFELs). Isso pode levar a descobertas sobre como projetar novos materiais e processos químicos mais eficientes.

Um dispositivo XFEL é uma combinação poderosa de acelerador de partículas e tecnologia de laser que produz pulsos de raios X extremamente brilhantes e ultracurtos para pesquisas científicas. "Com esta tecnologia, os cientistas agora podem rastrear processos que ocorrem dentro de milhões de bilionésimos de segundo (femtossegundos) em tamanhos menores da escala atômica, "disse Gilles Doumy, um físico na divisão de Ciências Químicas e Engenharia de Argonne. "Nosso método torna possível fazer isso por tempos ainda mais rápidos."

Uma das aplicações mais promissoras dos XFELs tem sido nas ciências biológicas. Em tal pesquisa, os cientistas podem capturar como os processos biológicos fundamentais para a vida mudam ao longo do tempo, mesmo antes que a radiação dos raios X do laser destrua as amostras. Na física e na química, esses raios X também podem lançar luz sobre os processos mais rápidos que ocorrem na natureza, com uma velocidade do obturador que dura apenas um femtossegundo. Esses processos incluem a formação e a quebra de ligações químicas e as vibrações de átomos em superfícies de filme fino.

Por mais de uma década, os XFELs entregaram intensamente, pulsos de raios-X de femtossegundo, com recentes incursões no regime subfemtossegundo (attosegundo). Contudo, nessas escalas de tempo minúsculas, é difícil sincronizar o pulso de raios X que desencadeia uma reação na amostra e o pulso de laser que a "observa". Esse problema é chamado de instabilidade de tempo.

Autor principal Dan Haynes, estudante de doutorado no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, disse, "É como tentar fotografar o final de uma corrida quando o obturador da câmera pode ser ativado a qualquer momento nos dez segundos finais."

Para contornar o problema de jitter, a equipe de pesquisa surgiu com um pioneiro, abordagem altamente precisa apelidada de "listras de attosegundo auto-referenciadas". A equipe demonstrou seu método medindo um processo de decaimento fundamental no gás neon na fonte de luz coerente Linac, um DOE Office of Science User Facility no SLAC National Accelerator Laboratory.

Doumy e seu conselheiro na época, Professor Louis DiMauro da Ohio State University, havia proposto a medição pela primeira vez em 2012.

No processo de decadência, chamado decadência Auger, um pulso de raios-X catapulta os elétrons do núcleo atômico da amostra para fora de seu lugar. Isso leva à sua substituição por elétrons nas camadas atômicas externas. À medida que esses elétrons externos relaxam, eles liberam energia. Esse processo pode induzir a emissão de outro elétron, conhecido como elétron Auger. Os danos da radiação ocorrem devido aos intensos raios-X e à emissão contínua de elétrons Auger, o que pode degradar rapidamente a amostra. Após a exposição ao raio X, os átomos de néon também emitem elétrons, chamados fotoelétrons.

Depois de expor os dois tipos de elétrons a um pulso de laser externo "estriado", os pesquisadores determinaram sua energia final em cada uma das dezenas de milhares de medições individuais.

"A partir dessas medições, podemos seguir a decadência Auger no tempo com precisão sub-femtossegundo, mesmo que o jitter de tempo fosse cem vezes maior, "disse Doumy." A técnica se baseia no fato de que os elétrons Auger são emitidos um pouco mais tarde do que os fotoelétrons e, portanto, interagem com uma parte diferente do pulso de laser. "

Esse fator constitui a base da técnica. Ao combinar tantas observações individuais, a equipe foi capaz de construir um mapa detalhado do processo de decadência física. A partir dessa informação, eles poderiam determinar o atraso de tempo característico entre o fotoelétron e a emissão do elétron Auger.

Os pesquisadores estão esperançosos de que o streaking auto-referenciado terá um amplo impacto no campo da ciência ultrarrápida. Essencialmente, a técnica permite que a espectroscopia de streaking de attossegundo tradicional seja estendida a XFELs em todo o mundo à medida que se aproximam da fronteira de attossegundo. Desta maneira, O streaking auto-referenciado pode facilitar uma nova classe de experimentos que se beneficiam da flexibilidade e extrema intensidade dos XFELs sem comprometer a resolução do tempo.