18 de enero de 2021 (Noticias de Nanowerk) Los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) han emitido pulsos de rayos X intensos y ultracortos en el rango de femtosegundos durante más de una década. Un femtosegundo equivale a una millonésima de mil millonésima de segundo. Una de las aplicaciones más prometedoras de los XFEL es la biología, donde los investigadores pueden capturar imágenes hasta la escala atómica incluso antes de que el daño por radiación destruya la muestra. En física y química, estos rayos X también pueden arrojar luz sobre los procesos más rápidos que ocurren en la naturaleza con una velocidad de obturación que dura solo un femtosegundo.
Las mediciones en escalas de tiempo minúsculas son particularmente difíciles
Sin embargo, en estas escalas de tiempo minúsculas, es extremadamente difícil sincronizar el pulso de rayos X que provoca una reacción en la muestra, por un lado, y el pulso láser que lo 'observa', por el otro. Este problema se denomina jitter de sincronización y es un obstáculo importante en los esfuerzos en curso para realizar experimentos con resolución temporal en XFEL con una resolución cada vez más corta. Ahora, un gran equipo de investigación internacional ha desarrollado un método para solucionar este problema en XFELs y ha demostrado su eficacia midiendo un proceso de desintegración fundamental en el gas neón.
Los electrones acelerados por el acelerador lineal de SLAC ingresan a la sala onduladora LCLS y corren un guante de 32 poderosos onduladores. Cada ondulador contiene 224 imanes cuyos polos alternos fuerzan a los electrones a zigzaguear violentamente e irradiar rayos X. En el momento en que abandonan la sala onduladora, los pulsos láser de rayos X son mil millones de veces más brillantes que los rayos de las fuentes tradicionales de rayos X de sincrotrón, lo que abre un nuevo ámbito de posibles experimentos y descubrimientos. (Imagen: Christopher Smith / SLAC National Accelerator Laboratory)
Un buen momento puede evitar daños por radiación
Muchos sistemas biológicos, y algunos no biológicos, sufren daños cuando son excitados por un pulso de rayos X de un XFEL. Una de las causas del daño es el proceso conocido como descomposición de Auger. El pulso de rayos X expulsa fotoelectrones de la muestra, lo que lleva a su reemplazo por electrones en las capas externas. A medida que estos electrones externos se relajan, liberan energía que luego puede inducir la emisión de otro electrón, conocido como electrón Auger. El daño por radiación es causado tanto por los intensos rayos X como por la emisión continua de electrones Auger, que pueden degradar rápidamente la muestra. La sincronización de esta desintegración ayudaría a evadir el daño por radiación en experimentos que estudian diferentes moléculas. Además, la desintegración de Auger es un parámetro clave en los estudios de estados de materia exóticos y altamente excitados, que solo se pueden investigar en XFEL.El equipo de investigación ofrece un enfoque pionero y altamente preciso
Para trazar la desintegración de Auger, los científicos utilizaron una técnica denominada raya de attosegundos autorreferenciada, que se basa en mapear los electrones en miles de imágenes y deducir cuándo se emitieron según las tendencias globales de los datos. Para la primera aplicación de su método, el equipo utilizó gas neón, donde los tiempos de desintegración se han inferido en el pasado. Después de exponer tanto los fotoelectrones como los electrones Auger a un pulso de láser externo "rayado", los investigadores determinaron su energía cinética final en cada una de las decenas de miles de mediciones individuales. "Fundamentalmente, en cada medición, los electrones Auger siempre interactúan con el pulso láser en franjas un poco más tarde que los fotoelectrones desplazados inicialmente, porque se emiten más tarde", dice el profesor Reinhard Kienberger, quien ayudó a desarrollar el diseño del experimento. "Este factor constante forma la base de la técnica". Al combinar tantas observaciones individuales, el equipo pudo construir un mapa detallado del proceso físico y, por lo tanto, determinar el retraso de tiempo característico entre la foto y la emisión de Auger (Física de la naturaleza, "Reloj de electrones Auger").El método de rayado conduce al éxito
La alta resolución requerida es posible gracias al llamado método de rayado. “Esta técnica se aplica con éxito en nuestro laboratorio. En varios artículos preliminares de nuestro grupo, hemos realizado mediciones de resolución temporal en láseres de electrones libres utilizando el método de rayas ”, dice el estudiante de doctorado de TUM Albert Schletter, coautor de la publicación. "Con este método, pudimos medir el retraso entre la ionización de rayos X y la emisión de barrena en gases de neón con la mayor precisión", explica el autor principal Dan Haynes del Instituto Max Planck de Hamburgo para la Estructura y Dinámica de la Materia. Los investigadores tienen la esperanza de que el rayado autoreferenciado tenga un impacto más amplio en el campo de la ciencia ultrarrápida. “Las rayas autorreferenciadas pueden facilitar una nueva clase de experimentos que se benefician de la flexibilidad y la intensidad extrema de los XFEL sin comprometer la resolución del tiempo”, agrega el coautor Markus Wurzer, estudiante de doctorado del Prof. Kienberger.Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=57043.php
