L'European XFEL concentra in 180 nanometri gli impulsi di raggi X duri

Quattro riflessioni comprimono la luce ad attosecondi

Generare impulsi ultrabrevi di luce ad alta energia è solo metà dell'opera nella scienza moderna dei raggi X. In un esperimento condotto nell'aprile 2026 all'European XFEL, i ricercatori hanno indirizzato lampi di raggi X duri della durata stimata di 300 attosecondi in un sistema ottico specializzato per concentrarne l'energia, come riporta ScienceDaily.

Il gruppo si è affidato a un'evoluta configurazione ottica di Kirkpatrick-Baez, nota come sistema AKB. Questa configurazione impiega due specchi di precisione che ridirigono e focalizzano il fascio lungo gli assi orizzontale e verticale attraverso quattro riflessioni complessive. Ripiegando il fascio in un'area circa 100.000 volte più piccola della sezione di un capello umano, l'apparato ha prodotto un punto focale di 180 × 330 nanometri. La concentrazione di energia così ottenuta ha stabilito un nuovo riferimento in termini di fluenza e intensità per i raggi X duri ad attosecondi.

«È un record mondiale di intensità e fluenza per un impulso di raggi X duri ad attosecondi.»

— Ichiro Inoue, primo autore dell'Università di Tokyo

«È quasi magico vederlo accadere. La fluorescenza normale si propaga in tutte le direzioni, indipendentemente dalla direzione del fascio incidente. Ma quando si supera la soglia dell'ASE, si vede il cono di luce iniziare a condensarsi nella direzione di propagazione.»

— Anders Madsen, capogruppo allo strumento MID dell'European XFEL

L'emissione stimolata conferma una potenza estrema nel rame

Per verificare la densità del fascio, gli scienziati hanno preso di mira una sottile lamina di rame presso lo strumento Materials Imaging and Dynamics, noto come strumento MID. Il fascio in arrivo espelleva elettroni direttamente dagli strati più interni degli atomi di rame, lasciando vacanti le posizioni del guscio interno.

Quando gli elettroni esterni cadevano in queste lacune, emettevano radiazione X secondaria. Con un'illuminazione ordinaria, questa luce fluorescente si disperde in tutte le direzioni. A intensità di picco superiori a 10²⁰ watt per centimetro quadrato, il processo è passato all'emissione spontanea amplificata, creando un fascio direzionale in avanti. Con l'aumentare dell'energia degli impulsi, il segnale di emissione ha infine raggiunto la saturazione, fornendo una conferma indipendente del fuoco calcolato.

Catturare il movimento degli elettroni prima che subentri il danno da radiazione

Osservare come gli elettroni si spostano tra gli atomi richiede velocità superiori a quelle con cui si rompono i legami chimici. I lampi ultracorti permettono ai ricercatori di sondare la materia prima che la radiazione incidente alteri la struttura molecolare. Assemblaggi di specchi così precisi rappresentano quel tipo di invenzione fisica che sta alla base dei progressi nei laboratori di fisica delle alte energie.

Se i brevetti industriali raramente coprono ottiche di linea di luce realizzate su misura per le strutture di sincrotrone, la proprietà intellettuale alla base della produzione di superfici di estrema precisione continua a diffondersi nella litografia e nella metrologia per semiconduttori. Il gruppo dell'Università di Tokyo e del centro di ricerca DESY punta ora a usare il fascio focalizzato per studiare interazioni non lineari luce-materia finora inaccessibili.

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