I lampi ultraveloci di raggi X riparano i danni che provocano
L'emissione stimolata riporta gli elettroni al loro stato fondamentale, mentre l'irradiazione è ancora in corso
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L’interazione tra i raggi X e la materia può essere controllata attivamente: un gruppo di ricerca internazionale guidato dall’Università di Amburgo e dallo SLAC National Accelerator Laboratory è riuscito a produrre immagini a raggi X luminose che causano danni significativamente inferiori. Su *Nature Communications*, i ricercatori descrivono l’uso di impulsi ultraveloci che invertono parzialmente il danno che essi stessi generano.
I raggi X sono radiazioni ionizzanti e possono danneggiare praticamente qualsiasi tipo di materia. Ecco perché i radiologi si impegnano a mantenere la dose di raggi X utilizzata nell’imaging il più bassa possibile. Allo stesso tempo, devono garantire che l’immagine sia sufficientemente luminosa e contenga dettagli adeguati per la diagnosi. Questo compromesso ha caratterizzato l’imaging a raggi X per decenni.
I ricercatori che intendono ottenere immagini di reazioni chimiche in singole molecole e nanoparticelle si trovano ad affrontare una versione ben più estrema dello stesso problema. Per catturare qualcosa di così piccolo e fugace come una reazione all’interno di un gruppo di atomi, devono illuminare il campione con un gran numero di fotoni di raggi X in un impulso estremamente breve. Gli strumenti più avanzati a questo scopo — i laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) — producono lampi sufficientemente brevi da «superare» la distruzione fisica del campione. Tuttavia, anche questi brevi impulsi strappano elettroni dagli atomi e trasformano una struttura solida in una nube di ioni ed elettroni prima che sia possibile registrare un’immagine utilizzabile. Questo cosiddetto “sbiadimento elettronico” è stato a lungo considerato un limite inevitabile dell’imaging a raggi X ad alta risoluzione. Una volta che il campione si sbiadisce, diventa più trasparente ai raggi X e la qualità e la risoluzione dell’immagine si deteriorano.
Nello studio attuale, il team descrive un metodo per mitigare questo sbiancamento, anche quando la dose di raggi X viene portata a livelli estremi.
Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno illuminato nanoparticelle di neon con impulsi di raggi X di nuova generazione della durata di poche centinaia di attosecondi. Questi impulsi erano da circa cento a mille volte più brevi di quelli utilizzati nei precedenti esperimenti di imaging FEL. Sintonizzando questi flash ultrabrevi in prossimità del bordo K del neon (un’energia alla quale gli atomi di neon rispondono in modo particolarmente forte ai raggi X), i ricercatori hanno fatto un’osservazione inaspettata: gli impulsi non solo hanno contrastato il danno in modo più efficace, ma ne hanno anche attivamente invertito parte mentre l’irradiazione era ancora in corso.
«Quando i raggi X intensi colpiscono un campione, normalmente espellono gli elettroni dal loro stato originale. Secondo la visione tradizionale, una volta innescato questo danno, non può essere annullato durante l’esposizione», afferma Anatoli Ulmer, primo autore dello studio. «Gli impulsi su scala di attosecondi interrompono questo ciclo superando la consueta cascata di danni. Inoltre, abbiamo osservato un processo concorrente: l’emissione stimolata. In questo caso, i raggi X spingono alcuni elettroni a tornare al loro stato originario. L’emissione stimolata riduce quindi attivamente lo sbiadimento elettronico».
Per circoscrivere l’effetto dell’emissione stimolata, il team ha confrontato l’impatto di impulsi da 300 attosecondi con impulsi della durata 50 volte superiore a luminosità simile. Quando gli impulsi sono molto brevi, molti dei meccanismi responsabili dello sbiadimento potrebbero non avere nemmeno il tempo di attivarsi. Gli impulsi più lunghi hanno prodotto una nube calda e densa di elettroni liberi. Anche se gli ioni stessi si muovono a malapena, questo nanoplasma finisce per offuscare le informazioni strutturali del campione.
Al contrario, gli impulsi ultraveloci riflettono un maggior numero di elettroni rimasti accoppiati ai loro ioni originari. Ciò ha prodotto un’immagine che rappresenta il campione in modo molto più accurato, proprio come appariva prima dell’arrivo dei raggi X.
Inoltre, il segnale dei raggi X proveniente dagli impulsi attosecondi era significativamente più forte, nonostante il campione fosse meno ionizzato. «Siamo rimasti molto sorpresi nel constatare che immagini più luminose comportano un minor danno», afferma Tais Gorkhover, professore all’Università di Amburgo e ricercatore presso il Cluster di Eccellenza “CUI: Advanced Imaging of Matter”. «È un po’ come riflettere sempre più luce solare su un tetto metallico senza che il tetto si surriscaldi». Questo effetto può essere spiegato anche teoricamente attraverso l’emissione stimolata: gli elettroni possono essere spinti verso i loro ioni originari dalla luce dei raggi X, purché lo sbiancamento non sia progredito troppo.
I risultati spostano l’attenzione dall’approccio, in precedenza piuttosto passivo, al miglioramento dell’imaging a raggi X. Anziché considerare il danno come una sorta di gara che si può vincere esclusivamente con esposizioni più brevi o dosi limitate di raggi X, i risultati suggeriscono che l’interazione tra i raggi X e la materia possa essere attivamente guidata. Con la stessa luce intensa che causa il danno, è anche possibile contrastarlo almeno in parte. «Questo lavoro prefigura un futuro in cui potremo personalizzare la risposta della materia ai raggi X controllando le dinamiche elettroniche ultraveloci e, in ultima analisi, influenzare il modo in cui i raggi X vengono assorbiti, diffusi e propagati attraverso i materiali», afferma Phay Ho, uno dei principali ricercatori dello studio.
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