Brevi flash di raggi X dell'attosecondo consentono nuove tecniche di imaging
La scoperta consente di ottenere istantanee ad alta risoluzione di processi ultraveloci come le reazioni chimiche, con una precisione temporale senza precedenti
Un team di ricerca dell'Università di Amburgo e i suoi partner hanno raggiunto una svolta: Il team è riuscito a catturare immagini di singole nanoparticelle utilizzando singoli impulsi di raggi X al secondo. Questo risultato, pubblicato sulla rivista Nature Communications, consente di ottenere istantanee ad alta risoluzione di fenomeni dinamici come le reazioni chimiche e le transizioni di fase con una precisione temporale senza precedenti.
La scienza degli attosecondi, che ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2023, sta cambiando la nostra comprensione di come gli elettroni si muovono negli atomi, nelle molecole e nei solidi. Un attosecondo - un miliardesimo di miliardesimo di secondo - permette di visualizzare al rallentatore processi naturali che avvengono a velocità straordinaria. Finora, tuttavia, la maggior parte degli esperimenti sugli attosecondi si è limitata a misurazioni spettroscopiche, a causa delle limitazioni delle sorgenti di impulsi luminosi di attosecondi.
Utilizzando il potente laser a elettroni liberi a raggi X (FEL) dello SLAC National Laboratory in California, il team di Amburgo ha studiato come gli impulsi ultracorti interagiscono con le nanoparticelle. Nel farlo, ha scoperto un fenomeno finora inesplorato: le risonanze di ioni volatili che aumentano la luminosità dell'immagine a raggi X delle nanoparticelle. Queste risonanze volatili, che si verificano quando gli impulsi FEL sono più brevi di quelli utilizzati nella maggior parte degli esperimenti, aumentano in modo significativo l'efficienza della diffusione dei raggi-X. Questa scoperta non solo migliora la qualità e il dettaglio delle immagini di diffrazione, ma rappresenta anche un passo fondamentale verso l'imaging su scala atomica.
"Inizialmente eravamo perplessi per i segnali di diffrazione di raggi X inaspettatamente forti nei nostri esperimenti alla Linac Coherent Light Source", afferma Tais Gorkhover, uno degli autori principali dello studio dell'Università di Amburgo e ricercatore del Cluster of Excellence "CUI: Advanced Imaging of Matter". "Dopo un rigoroso controllo di qualità dei nostri dati e una verifica indipendente tramite simulazione, siamo stati in grado di confermare l'effetto". Quando intensi impulsi di raggi X colpiscono la materia, gli elettroni - i principali responsabili della diffrazione dei raggi X - normalmente si staccano a causa della ionizzazione, lasciando ioni che diffondono i raggi X in modo meno efficace. Tuttavia, lo studio attuale dimostra che questi ioni possono aumentare la loro efficienza di diffrazione di ordini di grandezza con impulsi FEL estremamente brevi e appositamente sintonizzati.
"Questa scoperta offre un nuovo approccio per migliorare sia la luminosità che la risoluzione delle immagini di diffrazione dei raggi X", spiega Stephan Kuschel, primo autore dello studio. "Questa tecnica apre la possibilità di visualizzare processi ultrarapidi come le reazioni chimiche e le trasformazioni catalitiche nel loro ambiente naturale con una notevole risoluzione temporale".
I risultati sottolineano l'importanza di spingere i confini tecnologici dell'imaging a raggi X per rivelare le dinamiche invisibili della materia. Con ulteriori progressi, questa scoperta promette di avere implicazioni in settori quali la chimica, la scienza dei materiali e le nanotecnologie. "Si tratta di un passo avanti verso l'obiettivo finale di catturare i singoli atomi in movimento", hanno dichiarato i ricercatori. "Mettendo a punto le condizioni dell'impulso di raggi X, saremo in grado di osservare dettagli finora irraggiungibili".
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Pubblicazione originale
Stephan Kuschel, Phay J. Ho, Andre Al Haddad, Felix F. Zimmermann, Leonie Flueckiger, Matthew R. Ware, Joseph Duris, James P. MacArthur, Alberto Lutman, Ming-Fu Lin, Xiang Li, Kazutaka Nakahara, Jeff W. Aldrich, Peter Walter, Linda Young, Christoph Bostedt, Agostino Marinelli, Tais Gorkhover; "Non-linear enhancement of ultrafast X-ray diffraction through transient resonances"; Nature Communications, Volume 16, 2025-1-20
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