I laser a elettroni liberi a raggi X, noti con l’acronimo XFEL, rappresentano una vera e propria avanguardia nella ricerca scientifica. Questi strumenti hanno la capacità di svelare i segreti della materia a livello atomico e di ampliare le frontiere della medicina, della biologia e della scienza dei materiali. Tuttavia, il loro utilizzo è stato storicamente limitato a causa delle dimensioni colossali degli acceleratori necessari, che si estendono per chilometri e richiedono investimenti enormi. Una nuova ricerca, condotta nel 2025 dal team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in collaborazione con TAU Systems Inc., potrebbe però cambiare radicalmente questa situazione.
Innovazione nella tecnologia laser
Al centro di questa rivoluzione si trova la tecnica di accelerazione al plasma-laser (LPA). I ricercatori hanno abbandonato le tradizionali onde a radiofrequenza, optando per un laser di potenza straordinaria in grado di generare un’onda di densità elettronica all’interno di un plasma. Questo approccio ha portato a risultati sorprendenti: gli elettroni possono essere accelerati a velocità fino a 1.000 volte superiori rispetto ai metodi convenzionali, che si limitano a circa 50 megavolt (MV) per metro. In pratica, ciò significa che un acceleratore che oggi occupa chilometri di spazio potrebbe essere ridotto a dimensioni paragonabili a quelle di una stanza.
La qualità del fascio di elettroni
Tuttavia, raggiungere un’energia così elevata è solo una parte della sfida. Per il corretto funzionamento di un laser XFEL, è fondamentale che il fascio di elettroni non solo sia potente, ma anche di altissima qualità e stabile nel tempo. Questo è stato il punto cruciale in cui il team ha ottenuto risultati significativi. Sam Barber, scienziato del Berkeley Lab e primo autore dello studio, ha dichiarato che il successo dell’esperimento dimostra come l’LPA sia in grado di produrre fasci di elettroni di alta qualità, essenziali per il funzionamento dei laser XFEL.
Applicazioni future e impatti
La stabilità e l’affidabilità della nuova tecnologia, confermate da decine di test, evidenziano la robustezza di questo approccio innovativo. L’esperienza di TAU Systems è stata fondamentale per integrare con successo il fascio generato dal plasma con gli ondulatori magnetici, responsabili della produzione dei raggi X. La possibilità di avere laser XFEL compatti potrebbe rivoluzionare il modo in cui ospedali e università analizzano la struttura di proteine complesse, studiano nanostrutture per nuovi materiali o migliorano la fotolitografia per la produzione di chip per semiconduttori.
Inoltre, questa tecnologia non si limita a costruire nuovi acceleratori; potrebbe anche potenziare quelli già esistenti, iniettando fasci di elettroni di qualità superiore per migliorarne le prestazioni. Questo traguardo è considerato dai ricercatori un fondamentale trampolino di lancio per ulteriori applicazioni, come la creazione di acceleratori lineari per la fisica delle alte energie, aprendo orizzonti che fino a poco tempo fa sembravano appartenere solo alla fantascienza.
