La tecnica a super-risoluzione dei raggi X scopre le strutture atomiche
Un nuovo metodo promette di migliorare la comprensione delle reazioni chimiche e delle proprietà dei materiali applicando una tecnica di spettroscopia premiata con il Nobel
Ricercatori dell'Argonne National Laboratory vicino a Chicago, negli Stati Uniti, insieme al Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) di Heidelberg e all'European X-ray Free Electron Laser (European XFEL) di Amburgo, hanno sviluppato un approccio innovativo alla spettroscopia a raggi X, raggiungendo dettagli e risoluzione senza precedenti.
La tecnica, chiamata Stochastic Stimulated X-ray Raman Scattering (s-SXRS), utilizza intensi impulsi di raggi X per eccitare gli elettroni all'interno degli atomi. È stata implementata in un esperimento pionieristico presso l'European XFEL. I ricercatori hanno diretto un fascio di raggi X attraverso una piccola cella di gas ad alta pressione di 5 millimetri, progettata all'MPIK e riempita di neon come gas bersaglio. La radiazione risultante viene raccolta e analizzata in uno spettrometro a griglia, un dispositivo che separa la luce nelle sue diverse lunghezze d'onda. Quando i raggi X attraversano il gas, amplificano di quasi un miliardo di volte la radiazione diffusa in modo risonante - i cosiddetti segnali Raman, un tipo di impronta digitale a raggi X che fornisce informazioni sugli stati elettronici eccitati degli atomi e delle molecole.
Il segnale amplificato fornisce informazioni dettagliate sulla struttura elettronica degli atomi su una scala temporale di femtosecondi (cioè un milionesimo di miliardesimo di secondo). Un metodo statistico, chiamato analisi della covarianza, collega gli impulsi di raggi X in arrivo con i segnali Raman emessi dagli atomi. In questo modo, gli scienziati creano uno spettro energetico dettagliato a partire da molte singole istantanee, anziché effettuare una scansione lenta dei diversi livelli energetici. Quello che una volta era considerato "rumore", viene così trasformato in una risorsa preziosa, che permette di estrarre informazioni dettagliate da dati complessi.
L'elevato numero di fotoni in ogni lampo di raggi X non solo aumenta il segnale di misura, ma è anche la chiave per ottenere la massima risoluzione spettrale grazie alla media di molti impatti dei fotoni sul rivelatore. L'elevato numero di fotoni a lunghezze d'onda casuali, ma completamente correlate, consente di individuare la posizione del centro di questi ampi ma distinti picchi spettrali in modo molto più preciso di quanto la loro larghezza indicherebbe altrimenti. Questo approccio è simile alla tecnica di microscopia a super-risoluzione che ha vinto il Premio Nobel 2014 per la chimica.
Un supporto essenziale per l'interpretazione dei risultati sperimentali sono state le simulazioni su larga scala delle complesse interazioni degli impulsi di raggi X durante la loro propagazione attraverso il gas. L'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) ha fornito la potenza di calcolo necessaria per questi calcoli che corrispondono fedelmente ai dati misurati, confermando così la comprensione di questi processi da parte dei ricercatori e aprendo la strada a future indagini. Con i continui progressi, l's-SXRS potrebbe diventare uno strumento standard nei laboratori di tutto il mondo, guidando l'innovazione in molti campi e ponendo le basi per innovazioni nell'analisi chimica e nella scienza dei materiali che avranno un impatto su settori come l'elettronica e le nanotecnologie.
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Pubblicazione originale
Kai Li, Christian Ott, Marcus Agåker, Phay J. Ho, Gilles Doumy, Alexander Magunia, Marc Rebholz, Marc Simon, Tommaso Mazza, Alberto De Fanis, Thomas M. Baumann, Jacobo Montano, Nils Rennhack, Sergey Usenko, Yevheniy Ovcharenko, Kalyani Chordiya, Lan Cheng, Jan-Erik Rubensson, Michael Meyer, Thomas Pfeifer, Mette B. Gaarde, Linda Young; "Super-resolution stimulated X-ray Raman spectroscopy"; Nature, Volume 643, 2025-7-16
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