Un acceleratore laser compatto genera raggi X brillanti nella finestra dell'acqua nei modelli al computer
Le simulazioni mostrano che i campi di scia al plasma possono sostituire gli acceleratori di particelle su scala chilometrica per l'imaging biologico.
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I fisici hanno dimostrato che un acceleratore laser-plasma da tavolo può produrre impulsi di raggi X molli brillanti e coerenti adatti all'osservazione di cellule viventi. L'innovazione tecnologica, descritta su Nature Communications da ricercatori tedeschi, scozzesi e cechi, genera impulsi nella gamma di lunghezze d'onda della finestra dell'acqua con un apparato che misura solo pochi metri.
Ridurre l'acceleratore alla scala del laboratorio
I tradizionali laser a elettroni liberi richiedono acceleratori di elettroni convenzionali che si estendono per diversi chilometri per generare fasci ad alta intensità. Secondo uno studio pubblicato su Nature Communications, un team di ricerca della Heinrich Heine University Düsseldorf, della University of Strathclyde e della struttura ELI Beamlines ha trovato un metodo alternativo attraverso una notevole innovazione scientifica. Sostituendo tunnel lunghi chilometri con onde di plasma guidate da laser, il team è riuscito a raggiungere energie elettroniche relativistiche su appena pochi centimetri.
«Se una sorgente di radiazione come questa può funzionare come laser a elettroni liberi dipende principalmente dalla qualità dei fasci di elettroni.»
— Dr. Fahim Habib, investigatore principale presso la struttura di ricerca ELI
Osservare attraverso la finestra dell'acqua biologica
La simulazione è incentrata su raggi X molli con lunghezze d'onda comprese tra 2,3 e 4,4 nanometri, una regione nota in fisica come finestra dell'acqua. A queste specifiche lunghezze d'onda, l'acqua rimane trasparente mentre elementi come azoto e carbonio assorbono fortemente la radiazione. Ciò consente ai ricercatori di visualizzare campioni biologici all'interno di soluzioni liquide naturali senza danneggiarli o colorarli artificialmente. L'autrice principale Lily Berman, dottoranda nel gruppo di lavoro di Hidding presso la University of Strathclyde, ha osservato che nuovi impulsi di elettroni all'interno di ondulatori magnetici possono produrre intensi lampi di raggi X su una distanza di soli pochi metri.
Campi di scia al plasma e ondulatori magnetici
L'apparecchiatura si basa sul laser ARCTURUS di Düsseldorf, dove impulsi di pompaggio verdi alimentano cristalli di titanio-zaffiro per emettere luce nel vicino infrarosso ad alta intensità in un gas. Questa luce innesca un campo di scia di fotocatodo al plasma che raccoglie e accelera rapidamente gli elettroni. I pacchetti di particelle accelerati entrano poi in un ondulatore magnetico: una serie di magneti dipolari alternati che costringe le particelle a un percorso sinusoidale. Mentre gli elettroni oscillano, emettono radiazione che raggruppa le particelle successive in pacchetti sincronizzati, innescando un effetto valanga identico a quello di un laser a elettroni liberi. La ricerca segna un potenziale passo avanti per il trasferimento tecnologico, spostando la spettroscopia a raggi X dalle strutture nazionali di sincrotrone ai laboratori universitari.
Verso un prototipo sperimentale
Sebbene le simulazioni numeriche confermino che il sistema ibrido laser-plasma è robusto e flessibile, la realizzazione pratica resta il prossimo traguardo. Dr. Fahim Habib, investigatore principale presso ELI Beamlines a Dolní Břežany, ha spiegato che la qualità del fascio determina se l'assemblaggio funziona come un autentico laser a elettroni liberi. Il team multinazionale prevede di validare la propria invenzione costruendo un prototipo fisico di laboratorio per test sperimentali nel prossimo futuro.
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