Tecnologia Científica

Espectroscopia de grade transiente com raios X ultrarápidos
Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI tiveram sucesso pela primeira vez em olhar para dentro de materiais usando o método de espectroscopia de grade transiente com raios-X ultrarrápidos no SwissFEL.
Por Instituto Paul Scherrer - 22/04/2021


Cristian Svetina na estação experimental do laser de elétrons livres de raios-X SwissFEL. Crédito: Instituto Paul Scherrer / Mahir Dzambegovic

Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI tiveram sucesso pela primeira vez em olhar para dentro de materiais usando o método de espectroscopia de grade transiente com raios-X ultrarrápidos no SwissFEL. O experimento no PSI é um marco na observação de processos no mundo dos átomos. Os pesquisadores estão publicando seus resultados de pesquisa hoje na revista Nature Photonics .

As estruturas dos microchips estão se tornando cada vez mais minúsculas; discos rígidos escrevem enciclopédias inteiras em discos magnéticos do tamanho de uma unha. Muitas tecnologias estão atualmente rompendo as fronteiras da física clássica. Mas no nanomundo, outras leis se aplicam - as da física quântica. E ainda há muitas perguntas sem resposta: como o calor realmente viaja através de um material semicondutor em nanoescala? O que exatamente acontece quando bits individuais são magnetizados no disco rígido de um computador e com que rapidez podemos escrever? Ainda não há respostas 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 métodos experimentais convencionais. Mas se quisermos avançar com a miniaturização técnica,

A mistura de métodos faz a diferença

Um novo ímpeto está sendo trazido ao assunto graças a um novo método 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 Itália, e outros parceiros internacionais. "O método, na verdade, não é novo, e tem sido usado por décadas no regime óptico com resultados excepcionais", disse Svetina, que atualmente está montando a nova estação experimental Furka na linha de luz SwissFEL Athos em PSI. O que é especial, diz ele, é a combinação e extensão de métodos conhecidos da física de laser não linear, mas usando luz de raios-X do novo laser de elétrons livres de raios-X SwissFEL. Essa combinação é nova e surpreendente. Várias tentativas foram feitas no passado por muitos grupos ao redor do mundo, mas sem sucesso. Foi até questionado se esses novos experimentos poderiam ser conduzidos com sucesso nas altas energias dos raios-X. A equipa da PSI provou: Sim, dá para fazer.

Em sua essência, este é um método chamado espectroscopia de grade transitória. A espectroscopia é um conjunto comprovado de métodos usados ​​por físicos para obter informações sobre um material, como os elementos químicos e compostos em que ele consiste, suas propriedades magnéticas e como os átomos se movem dentro dele. Na variante específica chamada espectroscopia de grade transiente, a amostra é bombardeada com dois feixes de laser que criam um padrão de interferência. Um terceiro feixe de laser é difratado neste padrão, criando um quarto feixe que contém as informações sobre as propriedades da amostra.
 
Olhando abaixo da superfície

O termo laser é sempre 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 nanômetros. Para ir além disso, raios-X são necessários. Os pesquisadores da PSI conseguiram pela primeira vez tornar a espectroscopia de grade transitória acessível 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 nanômetros, ou cerca do diâmetro de átomos de tamanho médio. A vantagem: pela primeira vez, é possível olhar dentro de materiais com resolução até átomos individuais, bem como com tempos de exposição ultracurtos de frações de femtossegundos (um milionésimo de bilionésimo de segundo), o que permite até mesmo vídeos atômicos processos a serem registrados. Além disso, o método é seletivo para elementos, o que significa que se pode medir seletivamente elementos químicos específicos em uma mistura de substâncias. O método complementa técnicas bem estabelecidas, como nêutron inelástico 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 diâmetro de 0,2 milímetros, consistindo de pulsos de raios-X ultracurtos, em uma grade de fase de transmissão feita de diamante, que parece um pente fino sob o microscópio. O diamante é usado porque não é destruído nem mesmo por raios-X de alta energia. Ele foi feito especialmente para esse experimento por Christian David, do Laboratório de Micro e Nanotecnologia do PSI. O espaçamento entre os dentes do pente é de dois micrômetros, mas pode cair para nanômetros, se necessário. Eles quebram o feixe de raios-X em feixes parciais finos que se sobrepõem atrás da grade, criando assim o padrão de difração da grade transiente. Atrás da grade, imagens individuais da grade podem ser observadas, repetidas em intervalos regulares - os chamados planos de Talbot. Se você colocar uma amostra em um desses aviões, alguns átomos dentro dele ficam excitados, como se ele estivesse no local da grade. Apenas os átomos que "vêem" os raios X nesta modulação periódica são excitados, enquanto os vizinhos que não experimentam a irradiação permanecem no estado fundamental. Esta é a principal atração do método, uma vez que permite aos pesquisadores excitar seletivamente domínios característicos de interesse.

Câmera com flash

A excitação dos átomos por si só, entretanto, não fornece nenhuma informação. Para isso, é necessária uma espécie de câmera com flash para expor brevemente a amostra. Na espectroscopia de grade transiente, isso é feito por um laser que tem como alvo a amostra em um ângulo e dispara imagens com um atraso mínimo 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 método: ele não produz nenhum sinal de fundo indesejado. “Se os átomos estão excitados, você vê um sinal; se eles não estão excitados, você não vê nada”, explica Svetina. Isso é extremamente 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 à criatividade e paciência dos protagonistas. “Fomos passo a passo e não queríamos tentar de tudo de uma vez”, diz o físico. Cinco anos atrás, os pesquisadores começaram a fazer experiências na FERMI FEL com luz óptica e a estenderam à 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 átomos. Eles conseguiram queimar o padrão de rede de um plano Talbot na folha. Svetina: "Foi quando soubemos: se podemos imprimir estruturas, podemos excitar átomos com menor intensidade." Com isso, o caminho estava livre para o experimento agora bem-sucedido.

Próximo objetivo: tudo com raios-X

No entanto, os pesquisadores ainda não deram o passo final. Até agora, apenas o feixe que excita a amostra é um feixe de raios-X. O flash da câmera ainda vem de um laser, por isso é luz visível. O auge seria alcançado se também fosse um feixe de raios-X. Svetina: "Queremos dar este passo final no decorrer do ano." E eles têm suporte adicional: o LCLS do SLAC e o PULSE Institute, ambos em Stanford na Califórnia, o centro RIKEN SPring-8 no Japão e o FLASH do DESY na Alemanha juntaram-se à equipe de colaboração.

Os pesquisadores estão publicando seus resultados hoje na revista Nature Photonics .

 

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