Los movimientos de los electrones dentro de un átomo

Los científicos mejoran dramáticamente la resolución alcanzable en los láseres de electrones libres con una nueva técnica

20.01.2021 - Alemania

Los láseres de electrones libres de rayos X duros (XFEL) han emitido pulsos de rayos X intensos y ultracortos durante más de una década. Una de las aplicaciones más prometedoras de los XFELs es en la biología, donde los investigadores pueden capturar imágenes hasta la escala atómica incluso antes de que el daño de la radiación destruya la muestra. En física y química, estos rayos X también pueden arrojar luz sobre los procesos más rápidos que ocurren en la naturaleza con una velocidad de obturación que dura sólo un femtosegundo - equivalente a una millonésima de una billonésima de segundo.

Sin embargo, en estas minúsculas escalas de tiempo, es extremadamente difícil sincronizar el pulso de rayos X que provoca una reacción en la muestra por un lado y el pulso de láser que la "observa" por el otro. Este problema se llama fluctuación de tiempo, y es un obstáculo importante en los esfuerzos en curso para realizar experimentos con resolución de tiempo en los XFELs con una resolución cada vez más corta.

Ahora, un gran equipo internacional de investigación, en el que participan colaboradores de la MPSD y DESY en Hamburgo, el Instituto Paul Scherrer en Suiza y otras instituciones en siete países, ha desarrollado un método para sortear este problema en los XFELs y ha demostrado su eficacia midiendo un proceso fundamental de decaimiento en el gas de neón.

Muchos sistemas biológicos - y algunos no biológicos - sufren daños cuando son excitados por un pulso de rayos X de un XFEL. Una de las causas del daño es el proceso conocido como decaimiento del Auger. El pulso de rayos X expulsa los fotoelectrones de la muestra, lo que lleva a su reemplazo por electrones en las capas externas. A medida que estos electrones externos se relajan, liberan energía que más tarde puede inducir la emisión de otro electrón, conocido como electrón Auger. El daño por radiación es causado tanto por los intensos rayos X como por la continua emisión de electrones Auger, que pueden degradar rápidamente la muestra. La sincronización de este decaimiento ayudaría a evitar el daño por radiación en los experimentos que estudian diferentes moléculas. Además, el decaimiento del Auger es un parámetro clave en los estudios de estados exóticos de materia altamente excitada, que sólo pueden ser investigados en los XFELs.

Normalmente, el temblor de tiempo parece impedir los estudios de un proceso tan corto en un XFEL. Para evitar el problema del temblor, el equipo de investigación ideó un enfoque pionero y altamente preciso y lo utilizó para trazar el decaimiento del Auger. La técnica, llamada attosecond streaking auto-referenciada, se basa en el mapeo de los electrones en miles de imágenes y en la deducción de cuándo fueron emitidos en base a las tendencias globales de los datos. "Es fascinante ver cómo nuestra mejora de una técnica que fue originalmente desarrollada para la caracterización de pulsos de rayos X en Láseres de Electrones Libres encuentra nuevas aplicaciones en experimentos científicos ultrarrápidos", dice el co-autor Christopher Behrens, un investigador del grupo de investigación de fotones FLASH en DESY.

Para la primera aplicación de su método, el equipo usó gas de neón, donde los tiempos de decaimiento han sido inferidos en el pasado. Después de exponer tanto los fotoelectrones como los electrones del Auger a un pulso de láser externo, los investigadores determinaron su energía cinética final en cada una de las decenas de miles de mediciones individuales. Crucialmente, en cada medición, los electrones del Auger siempre interactúan con el pulso de rayo láser un poco más tarde que los fotoelectrones desplazados inicialmente, porque son emitidos más tarde. Este factor constante forma la base de la técnica. Al combinar tantas observaciones individuales, el equipo fue capaz de construir un mapa detallado del proceso físico, y por lo tanto determinar el característico retraso de tiempo entre la foto y la emisión del Auger.

El autor principal Dan Haynes, un estudiante de doctorado en la MPSD, dice: "El rayo auto-referenciado nos permitió medir el retraso entre la ionización de los rayos X y la emisión Auger en el gas de neón con una precisión de sub-femtosegundos, aunque la fluctuación de tiempo durante el experimento estaba en el rango de cien-femtosegundos. Es como intentar fotografiar el final de una carrera cuando el obturador de la cámara podría activarse en cualquier momento en los últimos diez segundos".

Además, las mediciones revelaron que la fotoionización y la subsiguiente relajación y el decaimiento del Auger deben ser tratados como un único proceso unificado en lugar de un proceso de dos pasos en la descripción teórica del decaimiento del Auger. En estudios anteriores de tiempo resuelto, el decaimiento se había modelado de manera semiclásica.

Sin embargo, bajo las condiciones presentes en estas mediciones en el LCLS, y en los XFELs en general, se encontró que este modelo era inadecuado. En su lugar, Andrey Kazansky y Nikolay Kabachnik, los teóricos colaboradores del proyecto, aplicaron un modelo completamente cuántico-mecánico para determinar el tiempo de vida fundamental del decaimiento del Auger a partir del retraso observado experimentalmente entre la ionización y la emisión del Auger.

Los investigadores tienen la esperanza de que el rayo auto-referenciado tenga un impacto más amplio en el campo de la ciencia ultrarrápida. Esencialmente, la técnica permite que la espectroscopia tradicional de rayas atosegundo, anteriormente restringida a fuentes de mesa, se extienda a los XFELs de todo el mundo a medida que se aproximan a la frontera atosegundo. De esta manera, el rayado auto-referenciado puede facilitar una nueva clase de experimentos que se beneficien de la flexibilidad y la extrema intensidad de los XFELs sin comprometer la resolución temporal.

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