MADRID 11 Jun. (EUROPA PRESS) -
Una colaboración internacional liderada por científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison (Estados Unidos) ha generado los pulsos de rayos X duros más cortos hasta la fecha mediante la primera demostración de fenómenos láser intensos.
Los pulsos resultantes pueden dar lugar a diversas aplicaciones potenciales, desde la óptica cuántica de rayos X hasta la visualización del movimiento de electrones en el interior de las moléculas. Los resultados se publican en la revista 'Nature'.
"Hemos observado fenómenos láser intensos en la capa interna de rayos X y hemos podido simular y calcular su evolución", asegura Uwe Bergmann, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison y autor principal del estudio. "Al calcular los pulsos de rayos X que se emiten, estos pueden ser increíblemente cortos, inferiores a 100 attosegundos".
Un attosegundo es una quintillonésima parte de un segundo y esta duración extremadamente corta de los pulsos es lo que podría impulsar nuevas y avanzadas aplicaciones LASER. El proceso de láser de rayos X en la capa interna es similar al del láser óptico, solo que con una longitud de onda mucho más corta. Un pulso inicial de fotones de rayos X excita los electrones de la capa interna de los átomos. Estos electrones excitados emiten fotones de diferentes longitudes de onda de rayos X al volver a su estado no excitado. Sus fotones emitidos a veces inciden en un átomo ya excitado, lo que provoca una avalancha de radiación de emisión estimulada (la SER del láser) en una dirección.
Debido a que los electrones de la capa interna se mantienen muy unidos, se requieren potentes pulsos de rayos X, como los de los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL), para excitar un número suficiente de ellos simultáneamente y generar la acción láser. A su vez, los fotones que emiten en este proceso también tienen longitudes de onda de rayos X. Sin embargo, los pulsos XFEL suelen ser "sucios", ya que cada pulso está compuesto por varios picos cortos e intensos en el tiempo, y un rango de picos con diferentes longitudes de onda, lo que limita algunas de sus aplicaciones.
"Simplemente no son pulsos limpios y hermosos (como los láseres visibles)", comenta Thomas Linker, investigador postdoctoral conjunto de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Instituto Stanford PULSE en SLAC, y autor principal de la publicación. "Pero es lo único que tenemos. Tenemos que vivir con ello".
En este estudio, los investigadores enfocaron con precisión pulsos XFEL sobre una muestra de cobre o manganeso. El pulso de entrada sigue siendo sucio, pero muy corto e increíblemente potente: el equivalente a concentrar toda la luz solar que llega a la Tierra en un milímetro cuadrado. Los fotones de rayos X que la muestra emite en la misma dirección que el pulso de entrada inciden en un instrumento que los dispersa por longitud de onda, de forma similar a como un prisma dispersa la luz visible en un arcoíris, y la refleja según su ángulo. Esta luz de rayos X dispersa es posteriormente analizada por un detector, que mide sus propiedades.
En primer lugar, los investigadores confirmaron que se estaba produciendo una emisión estimulada en su muestra midiendo una señal fuerte en el detector. De esta forma, observaron algo más sobre la luz emitida. En cuanto a su espectro luminoso, contenía todas las longitudes de onda esperadas. Sin embargo, espacialmente, el equipo detectó en ocasiones algunos puntos calientes en lugar de la señal uniforme esperada. Mediante una simulación 3D, Linker pudo demostrar qué sucedía para obtener estos resultados. Sus cálculos ilustraron que los rayos X emitidos experimentaban un proceso que creaba filamentos al atravesar las muestras.
"Esto es filamentación, un potente fenómeno láser que, en la ciencia óptica, se produce cuando el índice de refracción cambia debido a este campo extremadamente intenso", explica Linker. "Se producen fenómenos espaciales que dan lugar a los puntos calientes observados".
Cuando el equipo aumentó aún más la intensidad de su pulso de entrada, observaron otro resultado inesperado: en lugar de ver puntos calientes de una longitud de onda, observaron un ensanchamiento espectral y, en ocasiones, múltiples líneas espectrales. Ejecutaron la simulación con estos nuevos datos y se dieron cuenta de que este resultado solo podía explicarse por otro fenómeno láser llamado ciclo de Rabi, en el que el pulso es tan intenso que la muestra absorbe fotones cíclicamente y los emite por emisión estimulada. Utilizaron su simulación para representar gráficamente la intensidad del pulso emitido a lo largo del tiempo y descubrieron que sus pulsos de entrada sucios resultaban en pulsos de emisión estimulada extremadamente cortos, que en ocasiones duraban entre 60 y 100 attosegundos: los pulsos de rayos X duros más cortos observados hasta la fecha.
"Hemos generado pulsos de attosegundos de rayos X duros con este potente fenómeno láser", afirma Linker. "La escala de tiempo en la que se forman y rompen los enlaces químicos es la escala de femtosegundos (1000 veces más larga que la de attosegundos). Pero si se desea observar la dinámica de los electrones, es decir, cómo se mueven dentro de sus orbitales, esa es la escala de attosegundos".
Los XFEL solo existen desde hace unos 15 años, por lo que los científicos aún están aprendiendo sobre ellos y cómo aplicarlos. Este estudio no es el primero en "limpiar" pulsos de rayos X duros, pero sí es el primero en lograr pulsos emitidos en esta escala de tiempo y en mostrar evidencia de un fenómeno láser intenso.
"Existen muchas tecnologías y fenómenos no lineales que la comunidad láser utiliza actualmente, pero muy pocos se han atrevido a probarse con rayos X duros", asegura Bergmann. "Los rayos X duros son muy potentes: tienen longitudes de onda de ángstroms que proporcionan una resolución espacial atómica y son sensibles a diferentes elementos. Este trabajo es un paso adelante para impulsar el apasionante campo de la ciencia láser real hacia este potente régimen de rayos X duros".