I laser a elettroni liberi a raggi X, noti con l'acronimo XFEL, sono strumenti potentissimi, capaci di svelare i segreti della materia a livello atomico e di guidare il progresso in campi come la medicina, la biologia e la scienza dei materiali. Il loro problema, però, è sempre stato uno: le dimensioni.
Per funzionare, queste macchine hanno sempre richiesto acceleratori lunghi chilometri, infrastrutture colossali e costose la cui costruzione è riservata a pochissimi centri di ricerca specializzati nel mondo. Ora, però, questo limite potrebbe essere stato superato grazie a una straordinaria ricerca condotta da un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, in collaborazione con la società TAU Systems Inc. Il loro lavoro apre le porte a una nuova generazione di acceleratori incredibilmente più piccoli e accessibili.
Al centro di questa innovazione c'è una tecnica chiamata accelerazione al plasma-laser (LPA). Invece di usare le tradizionali onde a radiofrequenza per accelerare gli elettroni, i ricercatori hanno impiegato un laser potentissimo per creare un'onda di densità elettronica all'interno di un plasma. Questo metodo si è rivelato sbalorditivo: è in grado di generare gradienti di accelerazione di circa 100 gigavolt (GV) per metro, un valore che permette di spingere gli elettroni a una velocità fino a 1.000 volte superiore rispetto a un acceleratore convenzionale, limitato a circa 50 megavolt (MV) per metro. In termini pratici, significa che un acceleratore che oggi si estende per chilometri potrebbe essere ridotto alle dimensioni di una stanza, lungo appena qualche metro.
Ma ottenere un'energia così elevata è solo una parte della sfida. Per far funzionare un laser XFEL, è indispensabile che il fascio di elettroni sia non solo potente, ma anche di altissima qualità e stabile nel tempo. Ed è proprio qui che il team ha ottenuto il suo risultato più significativo. Come ha sottolineato Sam Barber, scienziato del Berkeley Lab e primo autore dello studio, il successo dell'esperimento "dimostra che l'LPA sta producendo i fasci di elettroni di alta qualità necessari per far funzionare i laser XFEL".
Tecnologia 24 Lug
La stabilità e l'affidabilità dimostrate nel corso di decine di test consecutivi confermano la robustezza di questa nuova tecnologia. L'esperienza di TAU Systems è stata fondamentale per accoppiare con successo il fascio generato dal plasma con gli ondulatori magnetici che producono effettivamente i raggi X.
La disponibilità di laser XFEL compatti potrebbe consentire a ospedali e università di analizzare "in loco" la struttura di proteine complesse per la ricerca biologica, di studiare nanostrutture per nuovi materiali o persino di migliorare la fotolitografia per la produzione di chip per semiconduttori. Non si tratta solo di costruire nuove strutture da zero; questa tecnologia potrebbe anche essere utilizzata per potenziare gli XFEL già esistenti, iniettando fasci di elettroni di qualità superiore per estenderne le prestazioni. Questo traguardo è visto dai ricercatori come un trampolino di lancio fondamentale per altre applicazioni, come la creazione di acceleratori lineari per la fisica delle alte energie, aprendo orizzonti che fino a ieri sembravano pura fantascienza.
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