Un gran equipo internacional de científicos de diversas organizaciones de investigación, incluido el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ha desarrollado un método que mejora drásticamente la resolución de tiempo ya ultrarrápida que se puede lograr con los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL). Podría conducir a avances sobre cómo diseñar nuevos materiales y procesos químicos más eficientes.

Un dispositivo XFEL es una poderosa combinación de acelerador de partículas y tecnología láser que produce pulsos de rayos X extremadamente brillantes y ultracortos para la investigación científica. "Con esta tecnología, Los científicos ahora pueden rastrear procesos que ocurren en millones de mil millonésimas de segundo (femtosegundos) en tamaños hasta la escala atómica, "dijo Gilles Doumy, físico en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne. "Nuestro método permite hacer esto en tiempos aún más rápidos".

Una de las aplicaciones más prometedoras de los XFEL ha sido en las ciencias biológicas. En tal investigación, los científicos pueden captar cómo los procesos biológicos fundamentales para la vida cambian con el tiempo, incluso antes de que la radiación de los rayos X del láser destruya las muestras. 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. Dichos procesos incluyen la formación y ruptura de enlaces químicos y las vibraciones de los átomos en las superficies de películas delgadas.

Durante más de una década, los XFEL han brindado pulsos de rayos X de femtosegundos, con incursiones recientes en el régimen de subfemtosegundos (attosegundos). Sin embargo, en estas escalas de tiempo minúsculas, es difícil sincronizar el pulso de rayos X que provoca una reacción en la muestra y el pulso láser que la "observa". Este problema se llama fluctuación de tiempo.

Autor principal Dan Haynes, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, dijo, "Es como intentar fotografiar el final de una carrera cuando el obturador de la cámara puede activarse en cualquier momento en los últimos diez segundos".

Para evitar el problema del jitter, el equipo de investigación ideó un proyecto pionero, enfoque de alta precisión denominado "raya de attosegundos autorreferenciada". El equipo demostró su método midiendo un proceso de desintegración fundamental en el gas de neón en la fuente de luz coherente Linac. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en SLAC National Accelerator Laboratory.

Doumy y su consejero en ese momento, Louis DiMauro, profesor de la Universidad Estatal de Ohio, propuso por primera vez la medición en 2012.

En el proceso de descomposición, llamado decaimiento de Auger, un pulso de rayos X saca de su lugar a los electrones del núcleo atómico de la muestra. Esto conduce a su reemplazo por electrones en las capas atómicas externas. A medida que estos electrones externos se relajan, liberan energía. Ese proceso puede inducir la emisión de otro electrón, conocido como electrón Auger. El daño por radiación se produce debido tanto a los intensos rayos X como a la emisión continua de electrones Auger, que puede degradar rápidamente la muestra. Tras la exposición a los rayos X, los átomos de neón también emiten electrones, llamados fotoelectrones.

Después de exponer ambos tipos de electrones a un pulso láser externo "rayado", los investigadores determinaron su energía final en cada una de las decenas de miles de mediciones individuales.

"De esas medidas, podemos seguir la caída de Auger en el tiempo con una precisión de subfemtosegundos, a pesar de que el jitter de sincronización era cien veces mayor, ", dijo Doumy." La técnica se basa en el hecho de que los electrones de Auger se emiten un poco más tarde que los fotoelectrones y, por lo tanto, interactúan con una parte diferente del pulso láser ".

Este factor forma la base de la técnica. Al combinar tantas observaciones individuales, el equipo pudo construir un mapa detallado del proceso de descomposición física. De esa información, podrían determinar el retardo de tiempo característico entre el fotoelectrón y la emisión de electrones Auger.

Los investigadores tienen la esperanza de que las rayas autoreferenciadas tengan un gran impacto en el campo de la ciencia ultrarrápida. Esencialmente, La técnica permite que la espectroscopia tradicional de rayas de attosegundos se extienda a los XFEL en todo el mundo a medida que se acercan a la frontera de los attosegundos. De este modo, el rayado autoreferenciado puede 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.