Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI tiveram sucesso pela primeira vez em olhar para dentro de materiais usando o manãtodo de espectroscopia de grade transiente com raios-X ultrarra¡pidos no SwissFEL. O experimento no PSI éum marco na observação de processos no mundo dos a¡tomos. Os pesquisadores estãopublicando seus resultados de pesquisa hoje na revista Nature Photonics .

As estruturas dos microchips estãose tornando cada vez mais minaºsculas; discos ra­gidos escrevem enciclopanãdias inteiras em discos magnanãticos do tamanho de uma unha. Muitas tecnologias estãoatualmente rompendo as fronteiras da física cla¡ssica. Mas no nanomundo, outras leis se aplicam - as da física qua¢ntica. E ainda hámuitas perguntas sem resposta: como o calor realmente viaja atravanãs de um material semicondutor em nanoescala? O que exatamente acontece quando bits individuais são magnetizados no disco ra­gido de um computador e com que rapidez podemos escrever? Ainda não hárespostas para essas e muitas outras questões, principalmente porque as técnicas experimentais atuais não podem olhar profunda e precisamente o suficiente para os materiais e porque alguns processos ocorrem muito rapidamente para os manãtodos experimentais convencionais. Mas se quisermos avana§ar com a miniaturização técnica,

Um novo a­mpeto estãosendo trazido ao assunto graças a um novo manãtodo desenvolvido pelo pesquisador PSI Cristian Svetina, juntamente com Jeremy Rouxel e Majed Chergui na EPFL em Lausanne, Keith Nelson no MIT nos EUA, Claudio Masciovecchio no Fermi FEL na Ita¡lia, e outros parceiros internacionais. "O manãtodo, na verdade, não énovo, e tem sido usado por décadas no regime a³ptico com resultados excepcionais", disse Svetina, que atualmente estãomontando a nova estação experimental Furka na linha de luz SwissFEL Athos em PSI. O que éespecial, diz ele, éa combinação e extensão de manãtodos conhecidos da física de laser não linear, mas usando luz de raios-X do novo laser de elanãtrons livres de raios-X SwissFEL. Essa combinação énova e surpreendente. Va¡rias tentativas foram feitas no passado por muitos grupos ao redor do mundo, mas sem sucesso. Foi atéquestionado se esses novos experimentos poderiam ser conduzidos com sucesso nas altas energias dos raios-X. A equipa da PSI provou: Sim, da¡ para fazer.

Em sua essaªncia, este éum manãtodo chamado espectroscopia de grade transita³ria. A espectroscopia éum conjunto comprovado de manãtodos usados ​​por fa­sicos para obter informações sobre um material, como os elementos químicos e compostos em que ele consiste, suas propriedades magnanãticas e como os a¡tomos se movem dentro dele. Na variante especa­fica chamada espectroscopia de grade transiente, a amostra ébombardeada com dois feixes de laser que criam um padrãode interferaªncia. Um terceiro feixe de laser édifratado neste padra£o, criando um quarto feixe que contanãm as informações sobre as propriedades da amostra.

O termo laser ésempre usado para descrever a luz na faixa visível ou infravermelha do espectro de comprimento de onda. Portanto, os lasers podem olhar dentro de uma amostra apenas com resolução limitada a centenas de nana´metros. Para ir além disso, raios-X são necessa¡rios. Os pesquisadores da PSI conseguiram pela primeira vez tornar a espectroscopia de grade transita³ria acessa­vel a um laser de raios-X, usando raios-X muito fortes com uma energia de 7,1 quiloeletronvolts, que corresponde a um comprimento de onda de 0,17 nana´metros, ou cerca do dia¢metro de a¡tomos de tamanho manãdio. A vantagem: pela primeira vez, épossí­vel olhar dentro de materiais com resolução atéa¡tomos individuais, bem como com tempos de exposição ultracurtos de frações de femtossegundos (um milionanãsimo de bilionanãsimo de segundo), o que permite atémesmo va­deos ata´micos processos a serem registrados. Além disso, o manãtodo éseletivo para elementos, o que significa que se pode medir seletivamente elementos químicos específicos em uma mistura de substâncias. O manãtodo complementa técnicas bem estabelecidas, como naªutron inela¡stico e espalhamento de raios-X, adicionando melhor resolução em termos de tempo e energia.

Na prática , a configuração experimental se parece com esta: SwissFEL envia um feixe com um dia¢metro de 0,2 mila­metros, consistindo de pulsos de raios-X ultracurtos, em uma grade de fase de transmissão feita de diamante, que parece um pente fino sob o microsca³pio. O diamante éusado porque não édestrua­do nem mesmo por raios-X de alta energia. Ele foi feito especialmente para esse experimento por Christian David, do Laborata³rio de Micro e Nanotecnologia do PSI. O espaa§amento entre os dentes do pente éde dois micra´metros, mas pode cair para nana´metros, se necessa¡rio. Eles quebram o feixe de raios-X em feixes parciais finos que se sobrepaµem atrás da grade, criando assim o padrãode difração da grade transiente. Atrás da grade, imagens individuais da grade podem ser observadas, repetidas em intervalos regulares - os chamados planos de Talbot. Se vocêcolocar uma amostra em um desses aviaµes, alguns a¡tomos dentro dele ficam excitados, como se ele estivesse no local da grade. Apenas os a¡tomos que "vaªem" os raios X nesta modulação peria³dica são excitados, enquanto os vizinhos que não experimentam a irradiação permanecem no estado fundamental. Esta éa principal atração do manãtodo, uma vez que permite aos pesquisadores excitar seletivamente doma­nios caractera­sticos de interesse.

A excitação dos a¡tomos por si são, entretanto, não fornece nenhuma informação. Para isso, énecessa¡ria uma espanãcie de ca¢mera com flash para expor brevemente a amostra. Na espectroscopia de grade transiente, isso éfeito por um laser que tem como alvo a amostra em um a¢ngulo e dispara imagens com um atraso ma­nimo de tempo para o feixe de raios-X do SwissFEL. A informação sai do verso da amostra e atinge um detector que registra a imagem. Os experimentos iniciais mostraram uma vantagem do manãtodo: ele não produz nenhum sinal de fundo indesejado. “Se os a¡tomos estãoexcitados, vocêvaª um sinal; se eles não estãoexcitados, vocênão vaª nada”, explica Svetina. Isso éextremamente valioso ao medir amostras que emitem apenas sinais fracos e que não podem ser vistos com outras técnicas onde um fundo obscurece o sinal.

O fato de Cristian Svetina e sua equipe terem conseguido fazer o que outros pesquisadores não conseguiram se deve a  criatividade e paciaªncia dos protagonistas. “Fomos passo a passo e não quera­amos tentar de tudo de uma vez”, diz o fa­sico. Cinco anos atrás, os pesquisadores começam a fazer experiências na FERMI FEL com luz a³ptica e a estenderam a  luz ultravioleta extrema antes de passar para os raios X no PSI. Aqui, em vez de examinar amostras "reais" imediatamente, eles usaram folhas de ouro para testar se a energia era suficiente para excitar a¡tomos. Eles conseguiram queimar o padrãode rede de um plano Talbot na folha. Svetina: "Foi quando soubemos: se podemos imprimir estruturas, podemos excitar a¡tomos com menor intensidade." Com isso, o caminho estava livre para o experimento agora bem-sucedido.

No entanto, os pesquisadores ainda não deram o passo final. Atéagora, apenas o feixe que excita a amostra éum feixe de raios-X. O flash da ca¢mera ainda vem de um laser, por isso éluz visível. O auge seria alcana§ado se também fosse um feixe de raios-X. Svetina: "Queremos dar este passo final no decorrer do ano." E eles tem suporte adicional: o LCLS do SLAC e o PULSE Institute, ambos em Stanford na Califa³rnia, o centro RIKEN SPring-8 no Japa£o e o FLASH do DESY na Alemanha juntaram-se a  equipe de colaboração.

Os pesquisadores estãopublicando seus resultados hoje na revista Nature Photonics .