Credit: Springer Nature

Introduzione

I ricercatori hanno creato un nuovo impianto laser ad alta frequenza presso l’Università di Tokyo. La sorgente di luce ultravioletta estrema può rivelare dettagli di campioni biologici o fisici con una chiarezza senza precedenti. Permette anche di indagare fenomeni che dipendono dal tempo, come le reazioni chimiche ultraveloci. Le strutture esistenti per tali indagini richiedono necessariamente enormi acceleratori di particelle e sono proibitive per molti ricercatori. Questa nuova struttura dovrebbe migliorare notevolmente l’accesso ad una vasta gamma di ricercatori.

Molteplicità d’uso degli UV e dei raggi X

Probabilmente avete familiarità con la luce ultravioletta (UV) e i raggi X. La luce UV del sole aiuta il vostro corpo a produrre la vitamina D e fa sì che i pannelli solari generino energia, e i raggi X possono essere usati per “vedere” l’interno del vostro corpo per trovare ossa rotte o altri disturbi. Ma al di là di questi aspetti, la luce UV e i raggi X sono anche strumenti essenziali per l’indagine del mondo fisico. I ricercatori utilizzano queste forme di luce per rivelare dettagli di campioni biologici, chimici e fisici come la loro composizone, la struttura e il comportamento.

Due tipi di luce che sono particolarmente utili per le indagini all’avanguardia sui fenomeni ad azione rapida, come alcune reazioni chimiche o processi biologici, sono gli ultravioletti estremi lineari (XUV) e gli impulsi di raggi X soft. Sono entrambe forme di luce molto precise con parametri finemente controllati, simili a quelli degli impulsi laser, cruciali per l’esecuzione di buoni e rigorosi esperimenti. Tuttavia ci sono alcuni inconvenienti nel modo in cui sono realizzati questi fasci.

Le strutture per produrre raggi XUV e raggi X soft sono enormi macchine basate su acceleratori di particelle – come le versioni più piccole del Large Hadron Collider in Europa“, ha detto il professor Katsumi Midorikawa dell’UTokyo Institute for Photon Science and Technology e del RIKEN Center for Advanced Photonics. “Data la rarità di queste strutture e la spesa per la conduzione di esperimenti in loco, rappresenta una barriera per molti che potrebbero desiderare di utilizzarle. Questo è ciò che ha spinto me e i colleghi di UTokyo e del Riken a creare un nuovo tipo di struttura che speriamo sia molto più accessibile per un maggior numero di ricercatori“.

Il nuovo approccio

La nuova struttura di origine XUV è molto, molto più piccola di tutte quelle che l’hanno preceduta. È ospitata all’interno di un laboratorio sotterraneo relativamente modesto dell’Università di Tokyo. Il grosso della macchina è un contenitore sottovuoto di 5 metri per 2 metri che ospita un anello lungo 100 metri, o risonatore, in cui è immagazzinata una luce laser ad alta potenza. In due punti di questa bobina sono presenti sacche di gas rari speciali che alterano le caratteristiche del laser che passa. Ciò si traduce in due fasci separati di raggi XUV e raggi X soft, che vengono gettati su campioni in fase di indagine. La luce riflessa dai campioni viene poi letta da sensori di imaging ad alta velocità.

“Ciò che è veramente nuovo nel nostro approccio è che gli impulsi XUV e i raggi X soft sono estremamente brevi ma si verificano a frequenze molto alte, nella regione dei megahertz, o milioni di cicli al secondo”, ha detto Midorikawa. “In prospettiva, gli impianti XUV stabili che utilizzano impulsi di radiazione di sincrotrone anche nella regione dei megahertz hanno raffiche più lunghe che sono meno adatte a risolvere i fenomeni dinamici. E quelli che utilizzano le cosiddette sorgenti laser a elettroni senza raggi X hanno impulsi brevi, ma offrono basse frequenze da circa 10 hertz a 100 hertz. Quindi la nostra struttura offre il meglio di entrambi i mondi, con l’ulteriore vantaggio di essere solo una frazione delle dimensioni e con costi operativi molto più bassi“.

Indagare sulle proprietà chimiche della materia

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Questa nuova sorgente XUV offre impulsi ultracorti, utili per sondare fenomeni veloci, e alte frequenze, utili per indagare la struttura e le proprietà chimiche della materia. Ciò è possibile, grazie al processo che crea gli impulsi man mano che il laser interagisce con il gas. Si chiama generazione di armoniche di alto ordine e anche per questo motivo, l’impianto è il primo del suo genere in grado di produrre raggi XUV multipli e raggi X morbidi.

“Lavoro nel campo della generazione e dell’applicazione di XUV da 30 anni. Anche se la generazione di armoniche di alto ordine ha portato una svolta in questo campo, l’efficienza della generazione e la frequenza di ripetizione degli impulsi erano ancora insufficienti per molte applicazioni“, ha detto Midorikawa. “Quando ho proposto l’idea di questa struttura ai miei colleghi, sono stati immediatamente interessati e siamo stati in grado di ottenere un budget adeguato per completarla. Tutti noi speriamo che ciò apra la porta a nuove ricerche da parte di scienziati dei materiali, chimici e biologi che possano finalmente accedere a questo straordinario e potente strumento investigativo“.

Citazioni e Approfondimenti