I laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) rappresentano uno strumento rivoluzionario per studiare la materia a livello atomico e per far avanzare settori come medicina, biologia e scienza dei materiali. Tuttavia, fino ad oggi, il loro utilizzo è stato limitato dalle dimensioni gigantesche degli acceleratori necessari per farli funzionare. Una nuova ricerca del Lawrence Berkeley National Laboratory in collaborazione con TAU Systems Inc. promette di cambiare radicalmente questo scenario, sviluppando acceleratori più compatti e accessibili grazie a una tecnologia innovativa basata sull’accelerazione al plasma-laser.
La rivoluzione dell’accelerazione al plasma-laser
La chiave di questa svolta tecnologica è la tecnica chiamata accelerazione al plasma-laser (LPA). Contrariamente agli acceleratori tradizionali, che usano onde a radiofrequenza per spingere gli elettroni, questa nuova metodologia sfrutta un laser potentissimo che crea un’onda di densità elettronica all’interno di un plasma.
Il risultato è straordinario: si ottengono gradienti di accelerazione dell’ordine di 100 gigavolt (GV) per metro, contro i soli 50 megavolt (MV) per metro degli acceleratori convenzionali. Si tratta di una velocità fino a 1.000 volte superiore, il che significa che un acceleratore oggi lungo chilometri potrebbe essere ridotto a pochi metri, abbastanza piccolo da stare comodamente in una stanza. Una differenza non da poco, che rende immaginabile la diffusione capillare degli XFEL anche fuori dai grandi centri di ricerca.
Ma non basta accelerare gli elettroni a energie elevatissime; per far funzionare correttamente un laser XFEL, il fascio deve avere anche caratteristiche di qualità e stabilità elevatissime. Proprio qui risiede il successo più importante del team del Berkeley Lab. Sam Barber, primo autore dello studio, ha evidenziato che l’LPA è riuscito a produrre fasci di elettroni con la qualità necessaria per generare raggi X affidabili e potenti.
La tecnologia è stata testata con successo attraverso decine di esperimenti consecutivi, dimostrando la robustezza del sistema. Fondamentale è stata la collaborazione con TAU Systems, che ha permesso di accoppiare con efficacia il fascio prodotto dal plasma agli ondulatori magnetici che generano i raggi X veri e propri.
Impatti e prospettive future
L’arrivo di laser XFEL compatti e più accessibili potrebbe trasformare radicalmente diversi ambiti scientifici e industriali. Ospedali e università potrebbero utilizzare questi strumenti per analizzare in loco strutture complesse come proteine, favorendo ricerche avanzate in biologia e medicina. Allo stesso tempo, la possibilità di studiare nanostrutture con maggiore precisione apre nuove strade nella scienza dei materiali, mentre il miglioramento della fotolitografia potrebbe accelerare l’innovazione nella produzione di chip semiconduttori.
Questa tecnologia non è solo utile per creare nuovi impianti: potrebbe anche potenziare quelli già esistenti, migliorandone le prestazioni grazie a fasci di elettroni di qualità superiore. Per i ricercatori, questo risultato rappresenta un punto di partenza fondamentale per applicazioni future, come lo sviluppo di acceleratori lineari per la fisica delle alte energie, fino a ieri considerati quasi fantascientifici.
