Compatto x

Quando il primo laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) è stato inaugurato nel 2009 presso lo SLAC National Accelerator Laboratory in California, ha fornito un nuovo modo di guardare il mondo su scala atomica, rivelando dettagli sui processi biochimici come la fotosintesi e materiali esotici come come superconduttori. Ma da allora, in tutto il mondo sono state costruite solo altre quattro strutture del genere da un miliardo di dollari, ed è difficile trovare il tempo per realizzarle.

Un gruppo di ricercatori dell'Arizona State University (ASU), Tempe, ora progetta di costruire un nuovo tipo di laser a elettroni liberi, notevolmente più piccolo ed economico di qualsiasi cosa sia venuta prima. Questo mese, l’ASU ha annunciato che si imbarcherà nel progetto CXFEL (Compact X-ray Free Electron Laser) da 170 milioni di dollari dopo aver ricevuto una sovvenzione di 91 milioni di dollari dalla National Science Foundation. Il progetto potrebbe mettere le macchine alla portata dei laboratori universitari e ampliarne l’accessibilità.

"È un'idea elegante", afferma Claudio Pellegrini, fisico dello SLAC che per primo propose il suo XFEL nel 1992. "Tutti vorrebbero realizzare un sistema più piccolo."

Gli XFEL sono eccellenti sonde del mondo atomico perché i raggi X a lunghezza d'onda corta possono risolvere dettagli che sarebbero invisibili alla luce a lunghezza d'onda maggiore. Inoltre, i brevi impulsi di raggi X da femtosecondi funzionano come una fotocamera ad alta velocità, aiutando i ricercatori a catturare processi ultraveloci come il movimento di elettroni e atomi.

Per raggiungere una risoluzione spaziale e temporale così suprema, un XFEL standard richiede un acceleratore lineare lungo un chilometro. Aumenta gli elettroni fino a energie di 10 gigaelettronvolt (GeV), ovvero il 99,9999995% della velocità della luce. Quindi, gli elettroni passano attraverso gli "ondulatori", una serie di magneti disposti in polarità alternata. Gli elettroni emettono raggi X mentre si muovono attraverso i campi magnetici. Le interazioni tra la luce e gli elettroni fanno sì che gli elettroni si raggruppino e si irradino in concerto come un laser.

Il team dell'ASU prevede di sostituire gli ingombranti ondulatori magnetici con un laser che illuminerà direttamente il treno di elettroni in arrivo. Al laser, come tutte le emissioni elettromagnetiche, è associato un campo magnetico, afferma Bill Graves, fisico dell'ASU e scienziato capo del CXFEL. "Quando gli elettroni incontrano il laser, si muovono proprio come fanno in un ondulatore." Ma dove la polarità dei campi ondulatori si alterna su pochi centimetri, il campo del laser oscilla insieme alla lunghezza d'onda della luce: solo 1 micrometro.

Questo ondulatore ad altissima frequenza consente agli elettroni di oscillare ed emettere raggi X a energie molto più basse. Devono solo essere accelerati fino a soli 30 megaelettronvolt, un’impresa molto più semplice dei 10 GeV necessari in un XFEL standard. Ciò riduce notevolmente l'ingombro dell'XFEL, portandolo da 1 chilometro a soli 10 metri.

Con un fascio di elettroni a energia inferiore, il team può utilizzare diffrattore di cristallo e magneti per modellare finemente gli elettroni in gruppi fitti. Gli elettroni raggruppati si muovono in modo più sincrono tra loro e, di conseguenza, producono una luce a raggi X più coerente. Il raggruppamento si traduce anche in un impulso più breve, inferiore a un femtosecondo.

Impulsi così brevi potrebbero potenzialmente rivelare il modo in cui le molecole di clorofilla catturano la luce solare durante la fotosintesi, afferma Petra Fromme, biochimica dell'ASU e membro del team CXFEL. "Possiamo guardare cose che nessuno ha mai visto prima."

Sam Teitelbaum, fisico dell'ASU, prevede di utilizzare CXFEL come sonda sensibile del comportamento degli elettroni nei materiali, che può produrre una serie di fenomeni inspiegabili, dalla superconduttività ad alta temperatura a stati magnetici esotici. Le lezioni apprese potrebbero ispirare nuovi materiali superconduttori o dispositivi di archiviazione dati più affidabili.

Sebbene il nuovo dispositivo avrà impulsi veloci e coerenti, non avrà quasi la stessa potenza di un XFEL standard. I suoi impulsi sono molto meno luminosi e i singoli fotoni dei raggi X hanno lunghezze d'onda più lunghe rispetto a quelli dei suoi predecessori più grandi. Ciò significa che il CXFEL mancherà alcuni dei più piccoli dettagli che gli XFEL più grandi possono vedere. D’altro canto, gli impulsi a energia più bassa causeranno meno danni ai campioni che normalmente vengono distrutti dalle strutture più grandi.