Pesquisadores da  Linac Coherent Light Source (LCLS) do  Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC, do Departamento de Energia dos EUA , mediram os pulsos de raios X de alta energia mais curtos já registrados em um laser de elétrons livres de raios X (XFEL). Os pulsos tinham energias de fótons de cerca de 9 quiloeletronvolts (keV) e durações de 100 a 400 attossegundos – meros bilionésimos de bilionésimo de segundo. Os resultados foram publicados na revista Nature Photonics .

Esses pulsos de raios X de alta energia, ou "duros", com duração de attossegundos, são inestimáveis ??para pesquisadores que estudam o universo em suas menores e mais rápidas escalas. "Os pulsos são energéticos o suficiente para observar profundamente os sistemas atômicos  e rápidos o suficiente para registrar o movimento eletrônico congelado no tempo", disse Agostino Marinelli , um dos autores do estudo e professor associado de ciência de fótons e de física de partículas e astrofísica no SLAC.

O desafio, explicou Marinelli, não era criar esses pulsos ultracurtos, mas sim provar que isso já havia sido feito. “Ao longo de vários anos, aprendemos a criar esses pulsos de attossegundos de alta energia, mas medir pulsos tão curtos é realmente muito difícil. Este foi o primeiro diagnóstico que comprovou que os pulsos têm, de fato, apenas algumas centenas de attossegundos de duração.”

O autor principal do estudo, Ichiro Inoue, professor da Universidade de Tóquio, propôs o uso da emissão espontânea amplificada (ASE) para medir indiretamente a duração dos pulsos do LCLS. A ASE é um efeito que ocorre quando pulsos de raios X intensamente focalizados excitam um elemento específico, fazendo com que ele fluoresça na direção frontal. Nessa fluorescência estão embutidas informações sobre a energia, a forma e a duração do pulso de raios X original.

A equipe usou o LCLS para gerar um feixe de alta energia do que eles acreditavam ser raios X de attossegundos. Parte do feixe foi desviada para um detector que mediu sua energia e o formato de seu espectro. O restante do feixe foi focalizado em um ponto de apenas 150 nanômetros de largura em uma folha de cobre, gerando ASE (emissão espontânea amplificada) que foi capturada por outro detector. Combinando essas medições, a equipe conseguiu calcular a duração do pulso.

“Este é um marco importante para os pesquisadores que desejam usar raios X duros de attossegundos no LCLS”, disse Inoue. Este estudo surge num momento em que a comunidade científica internacional demonstra grande interesse em usar esses pulsos em suas pesquisas, permitindo-lhes observar mais profundamente os átomos e sistemas densos e até mesmo superar os danos causados pelos próprios raios X.

Em 2019, uma equipe liderada por Marinelli  gerou raios X de attossegundos no regime de raios X de baixa energia, ou "suaves" (abaixo de 5 keV). Os raios X suaves são ideais para medir a energia dos elétrons, o que permite aos pesquisadores estudar o movimento dos elétrons em ligações químicas e nas camadas externas dos átomos. Os cientistas usam esses pulsos para estudar fenômenos como  o movimento de elétrons em tempo real na água .

Por outro lado, os raios X de alta energia (acima de 5 keV) penetram mais profundamente nos materiais e podem ser usados para capturar imagens com resolução suficiente para identificar a localização de elétrons com precisão em escala atômica.

Ao demonstrar que o LCLS pode fornecer raios X de alta energia na faixa de attossegundos, a equipe abriu a ciência de attossegundos para uma nova base de usuários, incluindo pesquisadores como Sam Vinko, professor de física da Universidade de Oxford, que estuda plasmas – a matéria quente e densa encontrada em estrelas e  experimentos de fusão nuclear inercial – , onde raios X de alta energia são necessários para sondar condições além do alcance dos raios X de baixa energia. Até então, os raios X ou não tinham energia suficiente para penetrar nesses plasmas densos ou não eram rápidos o bastante para capturar seus estados excitados de núcleo fugazes.

“A física de plasmas é muito complexa”, disse Vinko. “Normalmente, excitamos nossa amostra, então o sistema relaxa e se recombina antes que possamos extrair uma medição. Muitas vezes somos forçados a confiar em modelagem e fazer suposições sobre o que exatamente está acontecendo.”

Nesta primavera, no LCLS, ele finalmente conseguiu pulsos de raios X com energia suficiente para penetrar e velocidade suficiente para congelar o plasma denso antes que sua própria dinâmica pudesse distorcer a imagem – uma conquista inédita em qualquer XFEL. "Pela primeira vez, pudemos medir esses estados excitados do núcleo antes que eles tivessem tempo de evoluir", disse Vinko. "Para um físico de plasma, isso é simplesmente incrível."

Os raios X de alta energia em attossegundos oferecem outra vantagem: eles resistem aos danos induzidos pelos raios X.

“Os pulsos de raios X em si causam danos aos estados eletrônicos da matéria, mas com pulsos de attossegundos, podemos capturar o estado eletrônico em seu estado original, essencialmente superando os danos”, disse Inoue.

Pesquisadores como Tais Gorkhover, chefe do grupo de imagens de raios X ultrarrápidos avançados da Universidade de Hamburgo, planejam usar esses pulsos para aprimorar imagens em nanoescala geradas por absorção e espalhamento. Ela  já utilizou com sucesso raios X moles de attossegundos no LCLS para imagens de difração e para identificar maneiras de melhorar a resolução espacial, e acredita que raios X duros de attossegundos poderiam ter um efeito ainda mais forte.

Gorkhover também vislumbra um caminho para controlar ativamente a forma como a matéria interage com a luz – e talvez até mesmo reverter os mecanismos de dano causados pelos raios X. "Se olharmos além da resolução temporal, podemos ver os pulsos de attossegundos como uma nova ferramenta para controlar a interação luz-matéria de maneiras que os pesquisadores apenas fantasiaram", disse Gorkhover.