Enigma dos lasers de raios X: Por que mais brilhante significa mais escuro?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/10/2023

Instalação de laser de elétrons livres SACLA, no Japão, onde foi realizado o experimento.
[Imagem: SACLA]

Aumente a luz e escureça o objeto

Quando iluminamos algo, esperamos que, quanto mais brilhante for a fonte de luz que usarmos, mais brilhante ficará o objeto iluminado.

Esta observação poderia ser considerada trivial, não fosse pelo fato de que... ela nem sempre é verdade.

Quando amostras de um material sólido são iluminadas com pulsos de laser ultrarrápidos usando luz de raios X - é isto o que se faz rotineiramente nos grandes aceleradores de partículas para estudar os materiais -, as imagens de difração resultantes vão de fato ficando mais brilhantes quanto mais fótons incidem na amostra. Ou seja, de início, quanto maior a intensidade do feixe, mais brilhante ficará a amostra.

Recentemente, no entanto, foi observado um efeito contra-intuitivo: Quando a intensidade do feixe de raios X começa a exceder um determinado valor, as imagens de difração enfraquecem inesperadamente. Ou seja, quanto mais luz você dispara, mais a amostra irá ficando escura.

Isto começou a acontecer quando começamos a desenvolver fontes de luz com pulsos extremamente curtos, na faixa dos femtossegundos para baixo - lembre-se que o Nobel de Física deste ano premiou justamente esses pulsos ultracurtos de luz.

Lasers de elétrons livres de raios X (XFELs) geram pulsos de raios X muito fortes com durações de femtossegundos, ou seja, quadrilionésimos de segundo. Máquinas deste tipo - existem ainda muito poucas em funcionamento em todo o mundo - são utilizadas, entre outras coisas, para analisar a estrutura da matéria por meio da difração de raios X. Com essa técnica, uma amostra é iluminada por um pulso de raios X e a radiação difratada é coletada para produzir uma imagem, que é então usada para reconstruir a estrutura cristalina do material sendo examinado.

Com o surgimento dos pulsos mais curtos, contudo, começou a ser observado esse efeito contra-intuitivo: Quando a intensidade do feixe de raios X começa a exceder um certo valor crítico, as imagens de difração inesperadamente começam a ficar mais fracas, e não mais fortes, como seria de se esperar.

Configuração experimental nas instalações da SACLA usada para o experimento de difração em amostras de silício cristalino.
[Imagem: SACLA]

Explicação do enigma

Agora, uma equipe da Alemanha, Japão e Polônia acredita ter descoberto a razão desse mistério.

Durante a fase inicial da interação raios X-matéria, os fótons de alta energia que chegam excitam rapidamente não apenas os elétrons superficiais (de valência) dos átomos, mas também os elétrons que ocupam camadas atômicas profundas, localizadas perto do núcleo atômico. Ocorre que a presença de lacunas (ausência de elétrons, ou cargas positivas) profundas nos átomos reduz fortemente seus fatores de espalhamento atômico, ou seja, as quantidades que determinam a intensidade do sinal de difração observado.

"Nossa pesquisa mostra que, antes de ocorrer qualquer dano estrutural ao material e a amostra se desintegrar, primeiro ocorre um rápido dano eletrônico. Como resultado, a parte final do pulso praticamente não ioniza mais o material, porque a excitação adicional dos elétrons pelos fótons de raios X não é mais energeticamente possível," detalha a professora Beata Motyka, coordenadora da equipe.

À primeira vista, o efeito observado parece ser apenas desfavorável, já que resulta em uma diminuição do brilho das imagens de difração, o que impediria a observação de fenômenos ultrarrápidos. No entanto, o efeito inesperado também pode ser explorado com outros objetivos. Por exemplo, a observação de que diferentes átomos respondem de maneira diferente a pulsos ultrarrápidos de raios X pode ajudar a reconstruir com mais precisão as complexas estruturas atômicas tridimensionais dos materiais a partir das imagens de difração.

Outra área de aplicação potencial tem a ver com a própria produção de pulsos de laser com durações extremamente curtas. Uma vez que o material através do qual passa o pulso de raios X de alta intensidade 'corta' uma parte significativa do pulso já ultracurto, ele pode ser deliberadamente usado como "tesoura" para gerar pulsos efetivamente mais curtos do que aqueles produzidos até agora . Se isso funcionar na prática, poderá estimular outro avanço na captura de imagens da matéria em uma escala que é regida pela mecânica quântica.

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