Se muestra un escenario ilustrativo del efecto observado. Los pulsos con una duración de subpicosegundos pulsados en los rayos X suaves generados por FERMI @ elettra interactúan con una lámina metálica submicrométrica. La interacción óptica no lineal genera una modificación de componentes cromáticos en los pulsos. Crédito:Carino Ferrante, Emiliano Principi, Andrea Marini, Giovanni Batignani, Giuseppe Fumero, Alessandra Virga, Laura Foglia, Riccardo Mincigrucci, Alberto Simoncig, Carlo Spezzani, Claudio Masciovecchio, Tullio Scopigno.
El reciente advenimiento de las fuentes de rayos X de femtosegundos ofrece oportunidades sin precedentes para estudios estructurales y dinámicos. Requiere, sin embargo, manipular propiedades espectrales, como lo hace comúnmente la óptica no lineal en longitudes de onda visibles / infrarrojas. Aquí mostramos la primera evidencia de modulación de fase propia, un efecto no lineal clave en la ciencia del láser ultrarrápido, en rayos X suaves. Sobre la base de tal efecto, Demostramos cómo ajustar las propiedades espectrales en esta región de longitud de onda crítica para la espectroscopia y la nanoimagen de la sonda de la bomba de electrones del núcleo.
La relevancia para las aplicaciones de radiología es probablemente la ventaja más conocida de los haces de rayos X (energías keV) con respecto a la radiación visible (energías eV) y puede rastrearse hasta su profundidad de penetración superior. En un punto más fundamental, sin embargo, la relevancia de este rango de energía de fotones se basa en la capacidad de sondear los electrones de la capa interna (ya que tienen energías de enlace comparables) y mapear estructuras moleculares en la escala atómica (ya que los espaciamientos interatómicos típicos son comparables a las longitudes de onda de los rayos X). Aprovechando esas capacidades, La comunidad científica se ha esforzado por desarrollar fuentes de rayos X de subpicosegundos capaces de acceder a las propiedades de la materia con una resolución temporal suficiente para acceder a los movimientos moleculares elementales. Láseres de electrones libres (FEL), hoy en día disponible en varias instalaciones a gran escala en todo el mundo, representan un candidato principal para generar pulsos de rayos X de femtosegundos con alto brillo. Uno de los principales desafíos para explotar el enorme potencial de las fuentes FEL es desarrollar métodos para ajustar las propiedades del haz espectral y temporal. tarea que habitualmente se logra en longitudes de onda visibles recurriendo a ópticas no lineales.
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones, un equipo de científicos del Instituto Italiano de Tecnología, Universidad de L'Aquila, FERMI Trieste y la Universidad "Sapienza" de Roma han mostrado la primera evidencia de modulación de autofase (SPM) en el régimen de rayos X suaves. El experimento, realizado en las instalaciones FERMI @ elettra de Trieste, Consiste en la observación de la modulación espectral tras la interacción de haces FEL enfocados con una lámina metálica muy fina (100-300 nm).
"Nuestro experimento demuestra una nueva perilla de control para la configuración espectral de pulsos FEL. El cambio de azul a rojo acompañado de un aumento de ancho de banda se puede obtener moviendo la longitud de onda de entrada a través del borde de absorción del material, "explica el profesor Tullio Scopigno.
Los bordes de absorción atómica en la región de rayos X presentan discontinuidades agudas:un material óptico transparente puede absorber la luz modificando la energía del fotón en menos del 1%, generando correspondientemente excitaciones específicas de electrones del núcleo.
"Esta primera observación de los efectos de SPM en el régimen de rayos X suaves permite revelar propiedades atómicas específicas en la escala de tiempo de subpicosegundos. En particular, la interacción con un plasma de electrones fuera de equilibrio inducido por la luz generado en la escala de tiempo de femtosegundos en láminas metálicas delgadas, "concluye el Dr. Carino Ferrante.
Por debajo del borde de absorción, la SPM observada es inducida por el efecto Kerr, es decir, mediante una modificación del índice de refracción no lineal que imita el perfil de intensidad del pulso, que en última instancia resulta en un ensanchamiento espectral, acompañado de un corrimiento al rojo debido al calentamiento de los electrones de valencia. En sorprendente diferencia, por encima del borde, los fotoelectrones centrales altamente excitados generados por el borde de ataque del pulso forman un plasma ionizado denso denso caliente transitorio, responsable de una fuerte disminución del índice de refracción. Como consecuencia, el borde de salida del pulso se acelera dando lugar a una compresión temporal asimétrica que, Sucesivamente, da como resultado un desplazamiento hacia el azul.
Los resultados proporcionan una prueba de concepto para la conformación espectral de pulsos de rayos X suaves, un hito clave hacia el desarrollo de nuevos protocolos para espectroscopias de electrones de núcleo de femtosegundos.
