Una collaborazione internazionale di ricerca ha portato alla luce un fenomeno sorprendente: l’uso di impulsi laser a raggi X ad alta intensità causa un indebolimento delle immagini di diffrazione dei cristalli di silicio a causa di danni elettronici rapidi. Questa scoperta apre nuove possibilità per la produzione di impulsi laser più brevi e per un’analisi più accurata della struttura atomica.
La sorprendente osservazione nella diffrazione dei raggi X
Il paradosso della luminosità
Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, l’illuminazione di cristalli di silicio con impulsi laser ultra-rapidi di luce a raggi X non sempre comporta immagini di diffrazione più luminose. Inizialmente, l’intensità maggiore del fascio sembra produrre immagini più chiare, ma superato un certo valore critico, queste iniziano a indebolirsi in modo inaspettato.
La ricerca internazionale
Il fenomeno è stato spiegato grazie agli sforzi congiunti di fisici sperimentali e teorici provenienti da istituzioni di ricerca giapponesi, polacche e tedesche, tra cui il RIKEN SPring-8 Centre in Hyogo, l’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) a Cracovia e il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presso il laboratorio DESY di Amburgo.
Il ruolo dei laser a elettroni liberi (XFEL) nell’analisi della materia
La tecnica della diffrazione a raggi X
I laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) generano impulsi a raggi X molto potenti della durata di femtosecondi, ovvero milionesimi di miliardesimo di secondo. Queste macchine, attualmente operative in poche località nel mondo, vengono utilizzate, tra l’altro, per analizzare la struttura della materia mediante la diffrazione a raggi X. Con questa tecnica, un campione viene illuminato da un impulso a raggi X e la radiazione diffusa viene registrata per ricostruire la struttura cristallina originale del materiale esaminato.
Spiegare l’effetto di indebolimento inaspettato
La ricerca teorica e le simulazioni al computer hanno fornito una spiegazione al fenomeno osservato. Quando un’ondata di fotoni ad alta energia colpisce un materiale, si verifica un massiccio distacco di elettroni da vari gusci atomici, risultando in una rapida ionizzazione degli atomi nel materiale. Si è scoperto che la presenza di buchi nei gusci atomici profondi riduce fortemente i fattori di scattering atomico, determinando l’intensità del segnale di diffrazione osservato.
Danni elettronici e loro effetti
La ricerca dimostra che prima di qualsiasi danno strutturale al materiale e prima che il campione si disintegri, si verifica prima un rapido danno elettronico. Di conseguenza, la parte finale dell’impulso praticamente non ionizza più il materiale, poiché ulteriori eccitazioni di elettroni da parte dei fotoni a raggi X non sono più energeticamente possibili.
Potenziali applicazioni e progressi
Sebbene l’effetto osservato possa sembrare sfavorevole, esso può essere sfruttato vantaggiosamente. L’osservazione che atomi diversi rispondono in modo diverso agli impulsi a raggi X ultra-rapidi può aiutare a ricostruire con maggiore precisione strutture atomiche complesse tridimensionali dalle immagini di diffrazione registrate. Un altro ambito di potenziale applicazione riguarda la produzione di impulsi laser con durate di impulso estremamente brevi. Se il successo di queste ricerche sarà confermato, potrebbe stimolare un altro passo avanti nell’imaging del mondo quantistico.
La ricerca qui presentata è stata co-finanziata dall’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze.
