Resumo:
A equipe de pesquisa do European XFEL (European XFEL) anunciou que gerou com sucesso um flash de raios X ultracurto e duro, com duração de apenas cerca de 300 attosegundos, e estabeleceu um recorde mundial para tais pulsos em termos de intensidade e densidade de energia. Espera-se que este resultado ajude os cientistas a observar o comportamento dinâmico dos elétrons dentro dos átomos e moléculas com uma precisão sem precedentes. Os resultados relevantes da pesquisa foram publicados na "Optica".
Os cientistas há muito esperam compreender o movimento dos electrões nos átomos e moléculas, de modo a obter uma compreensão mais profunda das reacções químicas e até mesmo alcançar o controlo activo do comportamento dos electrões no futuro. Os raios X são uma ferramenta importante para estudar o movimento dos eletrões, mas a própria radiação de alta energia também pode alterar a amostra que está a ser testada, pelo que os investigadores devem obter informações suficientes antes que ocorram alterações visíveis na amostra.
Nesta experiência, a equipa de investigação concentrou os impulsos de raios X numa área extremamente pequena, que corresponde a cerca de um centésimo milésimo da secção transversal de um cabelo humano normal. Cada pulso dura cerca de 300 attossegundos, o que é apenas um bilionésimo de bilionésimo de segundo. O experimento foi concluído em abril de 2026 na estação experimental MID da instalação europeia XFEL, usando raios X duros com comprimentos de onda extremamente curtos.
Yan Jiawei, cientista do Centro Alemão de Síncrotron de Elétrons (DESY) que participou da pesquisa, disse que a equipe havia demonstrado pulsos de attossegundos de raios X fortes de nível terawatt há alguns anos, mas gerar pulsos fortes é apenas o primeiro passo. O que é realmente importante é ser capaz de entregar efetivamente essa energia à amostra experimental. Com esta descoberta, os cientistas foram capazes de usar raios X de nível de segundo segundo para estudar a interação altamente não linear entre os raios X e a matéria.
Para conseguir uma focagem extrema, os investigadores utilizaram um avançado sistema óptico Kirkpatrick-Baez (AKB) do Japão. Cada pulso de raios X sofre quatro reflexões, com dois espelhos de altíssima precisão responsáveis pela focagem vertical e horizontal, respectivamente. Em última análise, os raios X são comprimidos em uma pequena área focal de apenas 180 x 330 nanômetros.
Com base nos cálculos de energia de pulso, duração e tamanho do foco, a equipe de pesquisa estimou que sua intensidade de pico excedia 10²⁰W por centímetro quadrado. Ichiro Inoue, pesquisador da Universidade de Tóquio, disse que este resultado quebra o recorde mundial de pulsos de raios X fortes de attossegundos em termos de intensidade e fluxo de energia. Entre eles, o fluxo de energia é usado para medir a energia recebida por unidade de área, enquanto a intensidade reflete ainda a rapidez com que essa energia é liberada.
Para verificar esse cálculo, os pesquisadores irradiaram esses pulsos ultraintensos em amostras de folhas de cobre. Os raios X eliminam os elétrons da camada interna profunda dos átomos de cobre, formando vagas de elétrons. Quando outros elétrons preenchem essas vagas, nova radiação de raios X é liberada. Em uma intensidade suficientemente alta, essas radiações podem induzir outros átomos de cobre excitados a emitir mais raios X na mesma direção, criando um fenômeno conhecido como emissão espontânea amplificada (ASE), alcançando a amplificação do sinal.
Anders Madsen, chefe da Estação Experimental MID, disse que observar esse fenômeno foi quase mágico. A fluorescência normal emite em todas as direções, independentemente da direção do feixe incidente; quando o limite ASE é excedido, os pesquisadores podem ver claramente o feixe diminuindo gradualmente e concentrando-se na direção direta.
Resultados experimentais mostram que à medida que a energia do pulso aumenta, o sinal ASE inicialmente aumenta rapidamente e depois tende a saturar em energias mais altas. Os pesquisadores apontaram que esse fenômeno de saturação só ocorre em intensidades extremamente altas de raios X, proporcionando assim uma verificação independente das intensidades ultra-altas calculadas anteriormente.
A XFEL europeia planeja receber e instalar seu próprio sistema de foco AKB no início de 2027. Os pesquisadores disseram que depois que o sistema for instalado e depurado, equipes de pesquisa científica de todo o mundo poderão usar a estação experimental MID para obter o mesmo flash de raios X curto e poderoso, abrindo novas possibilidades para física ultrarrápida, ciência de materiais, cinética de reações químicas e pesquisa científica de raios X não lineares.
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