Los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) producen rayos de luz increíblemente poderosos que permiten estudios sin precedentes de los movimientos ultrarrápidos de los átomos en la materia. Para interpretar los datos tomados con estas extraordinarias fuentes de luz, Los investigadores necesitan una comprensión sólida de cómo los pulsos de rayos X interactúan con la materia y cómo esas interacciones afectan las mediciones.

Ahora, Las simulaciones por computadora realizadas por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía sugieren que un nuevo método podría convertir las fluctuaciones aleatorias en la intensidad de los pulsos láser de una molestia en una ventaja. facilitando los estudios de estas interacciones fundamentales. El secreto es aplicar un método conocido como "imágenes fantasma, "que reconstruye el aspecto de los objetos sin siquiera grabar directamente sus imágenes.

"En lugar de intentar que los pulsos XFEL sean menos aleatorios, que es el enfoque que seguimos con mayor frecuencia para nuestros experimentos, en realidad queremos usar la aleatoriedad en este caso, "dijo James Cryan del Stanford PULSE Institute, un instituto conjunto de la Universidad de Stanford y SLAC. "Nuestros resultados muestran que, al hacerlo, podemos sortear algunos de los desafíos técnicos asociados con el método actual para estudiar las interacciones de los rayos X con la materia ".

El equipo de investigación publicó sus resultados en Revisión física X .

Aprovechando los picos de rayos X

Los científicos suelen observar estas interacciones a través de experimentos de bomba-sonda, en el que envían pares de pulsos de rayos X a través de una muestra. El primer pulso llamado pulso de la bomba, reordena cómo se distribuyen los electrones en la muestra. El segundo pulso llamado pulso de la sonda, investiga los efectos que estos reordenamientos tienen sobre los movimientos de los electrones y núcleos atómicos de la muestra. Repitiendo el experimento con diferentes retrasos de tiempo entre los pulsos, los investigadores pueden hacer una película en stop-motion de lo diminuto, movimientos rápidos.

Uno de los desafíos es que los láseres de rayos X generan pulsos de luz en un proceso aleatorio, de modo que cada pulso es en realidad un tren de picos de rayos X estrechos cuyas intensidades varían aleatoriamente entre pulsos.

"Por lo tanto, los experimentos con sonda de bomba generalmente requieren que primero preparemos pulsos cortos que son menos aleatorios, "dijo Daniel Ratner de SLAC, el autor principal del estudio. Además, tenemos que controlar muy bien el tiempo de espera entre ellos ”.

En el nuevo enfoque, él dijo, "No tendríamos que preocuparnos por nada de eso. Usaríamos pulsos de rayos X a medida que salen del XFEL sin más modificaciones".

De hecho, en esta nueva forma de pensar, cada par de picos dentro de un solo pulso de rayos X puede considerarse un par de pulsos de bomba y sonda, por lo que los investigadores podrían hacer muchas mediciones de sonda de bomba con una sola toma del XFEL.

Tomando instantáneas fantasmales

Para producir instantáneas de los movimientos moleculares de una muestra con este método, Ratner y sus compañeros de trabajo quieren aplicar la técnica de la imagen fantasma.

En imágenes convencionales, la luz que cae sobre un objeto produce una imagen bidimensional en un detector, ya sea en la parte posterior del ojo, el sensor de megapíxeles de su teléfono celular o un detector de rayos X avanzado. Imágenes de fantasmas, por otra parte, construye una imagen analizando cómo los patrones aleatorios de luz que brillan sobre el objeto afectan la cantidad total de luz que sale del objeto.

"En nuestro método, los patrones aleatorios son las estructuras de picos fluctuantes de pulsos XFEL individuales, "dijo el coautor Siqi Li, estudiante de posgrado en SLAC y Stanford y autor principal de un estudio anterior que demostró imágenes fantasma utilizando electrones. "Para hacer la reconstrucción de la imagen, tenemos que repetir el experimento muchas veces, unas 100, 000 veces en nuestras simulaciones. Cada vez, medimos el perfil de pulso con una herramienta de diagnóstico y analizamos la señal emitida por la muestra ".

En un proceso computacional que toma prestadas ideas del aprendizaje automático, Luego, los investigadores pueden convertir estos datos en una visualización de los efectos del pulso de rayos X en la muestra.

Una herramienta complementaria

Hasta aquí, la nueva idea ha sido probada solo en simulaciones y espera validación experimental, por ejemplo, en el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Todavía, los investigadores ya están convencidos de que su método podría complementar los experimentos convencionales de sonda y bomba.

"Si las pruebas futuras tienen éxito, el método podría fortalecer nuestra capacidad para observar procesos muy fundamentales en experimentos XFEL, ", Dijo Ratner." También ofrecería algunas ventajas que nos gustaría explorar ". Estas incluyen más estabilidad, reconstrucción de imágenes más rápida, menos daño de la muestra y la posibilidad de realizar experimentos en escalas de tiempo cada vez más rápidas.