Físicos do SLAC registram pulsos recorde de raios X duros abaixo de 400 attossegundos

MENLO PARK, Califórnia — Físicos que operam a Linac Coherent Light Source no SLAC National Accelerator Laboratory, na Califórnia, geraram e mediram os pulsos de raios X de alta energia mais curtos já registrados em um laser de elétrons livres de raios X, atingindo durações inferiores a 400 attossegundos. A medição estabelece um novo limiar operacional para instalações de lasers de elétrons livres em todo o mundo, comprimindo a duração de emissões de fótons de alta energia a uma escala capaz de capturar os processos eletrônicos mais rápidos na matéria.

## Principais fatos

- Físicos da Linac Coherent Light Source (LCLS) registraram pulsos de raios X duros com durações inferiores a 400 attossegundos, marcando a menor largura de pulso já documentada em um laser de elétrons livres de raios X (XFEL). - Um attossegundo representa um quintilionésimo de segundo ($10^{-18}$ segundos), o regime temporal que rege o movimento de elétrons das camadas mais internas dentro de átomos e moléculas. - A conquista envolve raios X duros — fótons de alta energia com comprimentos de onda curtos capazes de penetrar materiais densos e resolver estruturas espaciais em escala atômica. - Os experimentos foram realizados no SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia, uma instalação financiada pelo United States Department of Energy e operada pela Stanford University. - O marco baseia-se em técnicas progressivas de compressão de pulso desenvolvidas em instalações globais de lasers de elétrons livres para superar barreiras experimentais na escala de femtossegundos.

## O que aconteceu

De acordo com reportagem da jornalista de ciência Mrigakshi Dixit, equipes experimentais que utilizam a Linac Coherent Light Source (LCLS) conseguiram sintetizar e caracterizar diretamente pulsos de raios X duros com duração inferior a 400 attossegundos. Raios X duros operam em energias de fótons que normalmente excedem 5 a 10 quiloeletronvolts, caracterizados por comprimentos de onda na escala do angstrom, compatíveis com as distâncias entre átomos em redes químicas.

Em um laser de elétrons livres de raios X, pulsos de luz são produzidos acelerando pacotes de elétrons a velocidades relativísticas — próximas à velocidade da luz — ao longo de um acelerador linear de partículas de escala quilométrica. Esses pacotes acelerados de elétrons são subsequentemente conduzidos através de onduladores, arranjos periódicos de ímãs permanentes alternados. À medida que os elétrons atravessam essa estrutura magnética, oscilam ao longo de uma trajetória ondulante, emitindo radiação síncrotron. Por meio de um processo chamado emissão espontânea autoamplificada (SASE, na sigla em inglês), a luz emitida interage de volta com o pacote de elétrons, organizando-os em minúsculos micropacotes espaçados no comprimento de onda do raio X. Esse agrupamento faz com que a radiação se amplifique exponencialmente em um pulso de laser coerente e intensamente brilhante.

Historicamente, as operações padrão de SASE produziam pulsos que duravam várias dezenas de femtossegundos (um femtossegundo equivale a 1.000 attossegundos). Para avançar no domínio dos attossegundos, os físicos de aceleradores utilizam técnicas especializadas de conformação do feixe de elétrons, como o uso de lasers ópticos de alta potência para modular uma fração localizada do pacote de elétrons, em conjunto com chicanas magnéticas fendidas que descartam quase toda a carga micropacotada, exceto uma estreita fração.

Gerar um disparo de raios X duros de attossegundos é apenas metade da equação de engenharia; medi-lo representa um obstáculo técnico igualmente desafiador. Fotodetectores convencionais operam nas escalas de nanossegundos ou picossegundos e não conseguem resolver eventos separados por quintilionésimos de segundo. Para confirmar a marca inferior a 400 attossegundos, o grupo de pesquisa precisou implementar métodos diagnósticos ultrarrápidos, tipicamente utilizando streaking angular ou espectrômetros de elétrons de alta resolução para reconstruir o perfil temporal do raio X a partir de fotoelétrons secundários ejetados de um gás-alvo.

## Por que isso importa

A capacidade de produzir pulsos de raios X duros abaixo de 400 attossegundos supera um dilema físico de longa data entre resolução espacial e temporal na dinâmica molecular. Na natureza, os movimentos dos núcleos atômicos ocorrem primariamente na escala de femtossegundos, correspondendo a vibrações de ligações químicas e rearranjos moleculares. No entanto, os elétrons que mediam essas ligações movem-se de forma substancialmente mais rápida, governados pela escala de attossegundos. Um elétron que orbita o núcleo de um átomo de hidrogênio, por exemplo, leva cerca de 151 attossegundos para completar uma única órbita.

Até recentemente, a ciência dos attossegundos estava amplamente confinada a sistemas de laser de geração de altos harmônicos (HHG) de bancada. Embora os sistemas de HHG produzam rotineiramente pulsos de attossegundos, eles geram principalmente fótons de baixa energia no ultravioleta extremo (EUV) ou de raios X moles. Esses fótons de menor energia carecem da profundidade de penetração e dos comprimentos de onda em escala de angstrom necessários para resolver posições atômicas individuais dentro de moléculas complexas ou materiais em estado sólido.

Os raios X duros gerados por um XFEL resolvem esse problema unindo resolução espacial subatômica a durações de attossegundos. A obtenção de pulsos abaixo de 400 attossegundos permite que biólogos estruturais, físicos da matéria condensada e cientistas de materiais projetem experimentos de bomba-prova que acompanham migrações de elétrons das camadas internas em tempo real. Nesses experimentos, um pulso de laser inicial desencadeia uma reação química ou transição eletrônica, e um pulso sincronizado de raios X duros de menos de 400 attossegundos registra um retrato da configuração de carga resultante antes que os núcleos atômicos ao redor tenham tempo de se mover.

Essa capacidade tem implicações imediatas para o estudo de danos por radiação, desempenho de semicondutores, materiais quânticos e fotossíntese artificial. Compreender como a carga se redistribui através de moléculas em frações de femtossegundo é fundamental para projetar células solares mais eficientes, prevenir a degradação estrutural em componentes eletrônicos expostos à radiação e controlar reações químicas catalíticas no nível mais elementar.

## Contexto

A busca por pulsos de luz mais curtos definiu a óptica ultrarrápida por mais de cinco décadas, progredindo de lasers de rubi de picossegundos nos anos 1960 para lasers de titânio-safira de femtossegundos nas décadas de 1980 e 1990. A fronteira dos attossegundos abriu-se formalmente na virada do século XXI, quando pesquisadores demonstraram que focar pulsos intensos de laser infravermelho em gases nobres podia produzir emissões de radiação de altos harmônicos medidas em centenas de attossegundos. Esse trabalho pioneiro levou à concessão do Prêmio Nobel de Física de 2023 a Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier pelo desenvolvimento de métodos experimentais que geram pulsos de attossegundos para o estudo da dinâmica eletrônica.

Em paralelo aos avanços em lasers de bancada, a comunidade internacional de aceleradores de partículas buscou fontes de luz em grande escala. Em 2009, o SLAC inaugurou a Linac Coherent Light Source original, convertendo uma seção de um quilômetro de seu histórico acelerador linear de radiofrequência de três quilômetros no primeiro laser de elétrons livres de raios X duros do mundo. A instalação forneceu pulsos de raios X um bilhão de vezes mais brilhantes do que os síncrotrons de anéis de armazenamento, mas os pulsos iniciais tinham dezenas de femtossegundos de duração.

Ao longo da última década, outras grandes instalações entraram em operação para competir no regime de raios X duros, incluindo o SACLA no Japão (2011), o PAL-XFEL na Coreia do Sul (2016), o European XFEL em Hamburgo, Alemanha (2017), e o SwissFEL na Suíça (2017). Em todas essas instalações, pesquisadores desenvolveram modos operacionais especializados, como o projeto X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) no SLAC, voltados especificamente para reduzir as durações de pulso de dezenas de femtossegundos para centenas de attossegundos.

Nos últimos anos, o SLAC concluiu uma importante atualização de infraestrutura conhecida como LCLS-II, introduzindo um acelerador linear de radiofrequência supercondutor capaz de disparar até um milhão de pulsos por segundo, em comparação com os 120 pulsos por segundo da instalação original. Esse investimento contínuo na arquitetura de aceleradores criou a estabilidade operacional necessária para isolar, controlar e medir com precisão feixes de raios X duros abaixo de 400 attossegundos.

## Repercussão

Embora a cobertura de Mrigakshi Dixit descreva a conquista empírica, as reações formais de órgãos institucionais e da comunidade acadêmica em geral deverão se consolidar à medida que publicações revisadas por pares detalhando os parâmetros exatos do acelerador começarem a circular. O Office of Basic Energy Sciences do Department of Energy, que supervisiona o financiamento do SLAC e de instalações similares para usuários de síncrotron, costuma incorporar esses marcos nos roteiros futuros das instalações.

Dentro das comunidades de física ultrarrápida e dinâmica química, espera-se que pesquisadores que dependem de propostas de acesso de usuários no SLAC analisem com que facilidade esse modo operacional poderá ser integrado às linhas de luz experimentais padrão. Grandes conferências científicas, incluindo encontros promovidos pela American Physical Society e pela Optical Society (Optica), frequentemente servem como fóruns nos quais grupos de pares examinam a metodologia de medição, os limiares de sinal-ruído e as métricas de coerência espacial que sustentam reivindicações de pulsos recordistas.

## O que ainda não sabemos

Diversos parâmetros operacionais cruciais continuam não especificados nos relatos preliminares. Primeiro, a duração exata do pulso — além da classificação genérica de estar abaixo de 400 attossegundos — não foi detalhada, assim como a margem de erro experimental associada à técnica de diagnóstico temporal. Determinar se os pulsos mediram consistentemente perto de 350 attossegundos ou 100 attossegundos é crítico para pesquisadores que planejam experimentos em escalas de tempo de decaimento subatômico específicas.

Segundo, a energia do pulso e o fluxo de fótons por disparo não foram detalhados. Na física de lasers de elétrons livres, comprimir um pacote de elétrons para encurtar a duração do pulso frequentemente reduz o número total de fótons fornecidos por disparo. Se a energia do pulso cair em demasia, a captura de padrões de difração nítidos ou de sinais espectroscópicos a partir de amostras diluídas torna-se estatisticamente difícil.

Terceiro, ainda não há confirmação se esse modo abaixo de 400 attossegundos está atualmente estável o suficiente para ser oferecido como uma configuração operacional padrão para cientistas visitantes gerais no LCLS, ou se permanece como uma demonstração delicada de desenvolvimento de máquina, exigindo otimização presencial constante por especialistas em aceleradores.

## O que acompanhar

Em termos futuros, vários marcos indicarão a viabilidade operacional desse avanço. O próximo passo imediato é a publicação de um artigo detalhado revisado por pares em uma conceituada revista de ciências físicas, detalhando as configurações dos onduladores, as métricas de compressão do feixe de elétrons e os algoritmos de reconstrução usados para verificar a duração do pulso.

A atenção dos observadores também se voltará para os próximos ciclos de propostas de tempo de feixe publicados pelo SLAC. Caso a instalação inclua a capacidade de raios X duros abaixo de 400 attossegundos em sua chamada de propostas para usuários, isso sinalizará que os engenheiros da infraestrutura resolveram os desafios de estabilidade de feixe e reprodutibilidade disparo a disparo que frequentemente complicam experimentos em attossegundos.

Além disso, respostas de instalações internacionais concorrentes merecerão acompanhamento. Centros como o European XFEL, na Alemanha, e o SwissFEL, na Suíça, mantêm grupos dedicados de pesquisa em modelagem de pulsos ultrarrápidos. A velocidade com que instituições parceiras replicarem ou superarem o limiar de 400 attossegundos no domínio de raios X duros determinará quão rapidamente esse nível de resolução temporal se tornará um padrão disseminado em pesquisas moleculares e de materiais.

Este relato baseia-se na cobertura de Mrigakshi Dixit.