Se os cientistas quiserem ultrapassar os limites de, digamos, um laser de raios-X, eles podem precisar criar alguma nova tecnologia. Mas ocasionalmente não há necessidade de reinventar a roda. Em vez disso, os cientistas simplesmente criam uma nova maneira de usá-lo.
Agora, os pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia fizeram exatamente isso em um esforço para aumentar as capacidades do laser de elétrons livres de raios-X (XFEL) Linac Coherent Light Source (LCLS) do laboratório. Ao adaptar uma técnica para pulsos de laser óptico modernos e superpoderosos, chamada amplificação de pulso chirped (CPA), a equipe do SLAC projetou um sistema capaz de produzir pulsos de raios-X dez vezes mais poderosos do que antes – tudo isso mantendo-se dentro do sistema de elétrons livres existente do LCLS. infraestrutura de lazer.
A equipe publicou seus resultados na Physical Review Letters em 18 de novembro.
“Os pulsos atuais de laser de raios-X de lasers de elétrons livres têm uma potência de pico de aproximadamente 100 gigawatts e geralmente com uma estrutura complexa e estocástica”, disse Haoyuan Li, pesquisador de pós-doutorado no SLAC e na Universidade de Stanford e principal autor do novo estudo.
Com a amplificação de pulso chilreado para raios-X, “mostramos que podemos alcançar parâmetros de feixe muito impactantes de mais de 1 terawatt de potência de pico e uma duração de pulso de cerca de 1 femtossegundo ao mesmo tempo”.
Mesmo o melhor laser tem seus limites
O LCLS funciona como uma câmera de resolução atômica, tirando fotos das mudanças mais ínfimas em moléculas e materiais em uma pequena fração de segundo. Os pulsos de raios X ultrabrilhantes e ultrarrápidos que produz são de grande interesse para muitas aplicações e pesquisas científicas em campos tão diversos quanto a dinâmica de moléculas biológicas, o estudo da astrofísica em laboratório e a observação de como os fótons interagem com a matéria.
No entanto, aumentar a potência do laser pode tornar o tempo dos pulsos do laser inconsistente. Essa inconsistência cria, por sua vez, uma imagem distorcida ou imprecisa do que está acontecendo com o sistema – algo que os cientistas desejam desesperadamente contornar. As soluções existentes para esse problema reduzem significativamente a potência do laser, limitando o que os pesquisadores podem fazer.
Devido a essas restrições, “na última década de experimentos com laser XFEL, mais de 90% dos experimentos usaram a fonte de raios X como uma lanterna ultrarrápida”, disse Diling Zhu, cientista sênior do SLAC e coautor sênior do estudo. “Poucos realmente o usaram como um ‘laser’ no sentido de como usamos lasers ópticos. Estamos apenas começando a aprender como manipular o feixe de raios-X como fazemos há décadas com lasers ópticos.”
Chilrear raios-X
O CPA foi originalmente projetado para aumentar a potência dos lasers ópticos e funciona alongando a duração de um pulso de energia antes de passar por um amplificador e, finalmente, por um compressor que reverte o alongamento feito na primeira etapa. O resultado é um pulso superintenso, limpo e ultracurto.
Os físicos Donna Strickland e Gérard Mourou, da Universidade de Rochester, inventaram o CPA na década de 1980 e receberam o Prêmio Nobel de Física de 2018 por seu trabalho. Embora o CPA tenha revolucionado a geração de pulsos de alta energia para lasers ópticos, a técnica provou ser difícil de adaptar para comprimentos de onda de raios-X, disse Li.
Ao projetar e implementar sistemas ópticos de cristal para comprimentos de onda Angstrom, Li e seus colegas aprenderam como os raios X eram refletidos e dispersos de um cristal em um processo chamado reflexão assimétrica de Bragg.
“Percebemos então que as reflexões assimétricas de Bragg podem ser usadas para implementar o mecanismo CPA”, disse Li. “Então, nossa equipe de óptica de raios-X e equipe de física do acelerador trabalharam juntos para otimizar o projeto com base em simulações com parâmetros de feixe realistas.”
Pulsos de raios X ao seu alcance
Por meio de modelagem numérica detalhada, os pesquisadores projetaram um método CPA para gerar pulsos de raios-X duros de alta intensidade dentro dos parâmetros de feixe de lasers de elétrons livres existentes. Outros projetos para pulsos de raios-X tão poderosos dependem de parâmetros excessivamente otimistas que estão fora do alcance da tecnologia atual.
“Nosso novo sistema mostra que podemos produzir pulsos de raios-X rígidos de terawatts e femtossegundos com instalações de laser de elétrons livres existentes”, incluindo LCLS no SLAC, disse Li.
O próximo passo é construir o sistema, o que será um esforço significativo de engenharia. “Gostaríamos de demonstrar experimentalmente que podemos construir a maca e o compressor necessários que atendem às especificações do projeto do sistema, começando com um protótipo em miniatura”, disse Li.
A equipe espera continuar seus esforços, disse Zhu. “A adaptação das lições de muitas tecnologias de laser ópticas elegantes e emocionantes para comprimentos de onda de raios-X pode nos levar a fontes de laser de raios-X mais brilhantes no futuro”, disse ele.
Publicado em 11/12/2022 14h32
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