- Los científicos han logrado concentrar pulsos de rayos X ultracortos, estableciendo un nuevo récord de intensidad.
- Este avance ayuda a investigar la reacción de los electrones a la luz intensa.
- Los investigadores utilizaron un sistema óptico avanzado para enfocar los rayos X en áreas diminutas.
- Pulsos de rayos X intensos podrían cambiar la forma en que se estudian las reacciones químicas.
Los electrones se mueven a velocidades extremadamente rápidas dentro de átomos y moléculas, y estudiar su comportamiento requiere destellos de luz que duren solo milmillonésimas de milmillonésimas de segundo. Ahora, los científicos han encontrado una manera de concentrar estos destellos de rayos X ultracortos en un punto diminuto, aumentando su energía al impactar la muestra. En un experimento realizado en el European XFEL, los investigadores alcanzaron un nuevo récord de intensidad y flujo para pulsos de rayos X duros en el rango de los attosegundos. Su intensidad máxima supera los 1020 vatios por centímetro cuadrado.
El investigador principal Ichiro Inoue de la Universidad de Tokio declaró: "Este es un récord mundial en términos de intensidad y flujo para pulsos de rayos X duros en el rango de los attosegundos." Este avance podría ayudar a los científicos a investigar cómo los electrones responden a la luz intensa, y eventualmente explorar formas de controlarlos durante los procesos de reacciones químicas.
Uso de un sistema óptico avanzado para enfocar rayos X
El experimento se llevó a cabo en abril de 2026, utilizando destellos de rayos X de aproximadamente 300 attosegundos de duración. Un attosegundo es milmillonésima de milmillonésima de segundo, lo que hace que estos pulsos sean útiles para investigar algunos de los procesos más rápidos que involucran electrones. Los investigadores guiaron los pulsos a través de un sistema óptico Kirkpatrick–Baez (AKB) avanzado, compuesto por dos espejos de precisión. Cada destello se refleja cuatro veces en los espejos. Un espejo enfoca los rayos X verticalmente, mientras que el otro lo hace horizontalmente, concentrando el haz en un área de solo 180 × 330 nanómetros.
En resumen, los investigadores lograron enfocar los rayos X en un área aproximadamente 100,000 veces más pequeña que la sección transversal de un cabello humano típico. Este logro se basa en investigaciones anteriores en el European XFEL, donde los investigadores demostraron pulsos de rayos X duros en el rango de kilovatios. Sin embargo, generar pulsos potentes es solo parte del desafío. La energía debe llegar a la muestra de manera suficientemente concentrada para producir el efecto deseado, lo cual es un reto que enfrentan otras técnicas de láser de rayos X utilizadas para investigar materiales a escalas diminutas.
Uno de los investigadores, Jiawei Yan, comentó: "Hace unos años, mostramos pulsos de rayos X duros en el rango de kilovatios en el European XFEL. Pero generar pulsos potentes es solo el primer paso. Lo que realmente importa para el experimento es el resultado que podemos entregar a la muestra. Con este avance, ahora podemos utilizar rayos X en el rango de attosegundos para explorar las interacciones altamente no lineales entre los rayos X y la materia."
Para verificar la intensidad de manera independiente, el equipo de investigación dirigió los pulsos de rayos X hacia una lámina de cobre y examinó la luz emitida por sus átomos. Los rayos X incidentes expulsaron electrones de las capas internas profundas de los átomos de cobre, dejando vacantes o huecos. Los electrones de la capa externa luego llenaron estos huecos, liberando energía en forma de rayos X. Con una iluminación suficientemente intensa, esta emisión puede estimular a otros átomos de cobre excitados a liberar rayos X que viajan en la misma dirección. El efecto de amplificación resultante produce una señal más fuerte y concentrada. Este proceso se conoce como emisión estimulada de amplificación (ASE), un fenómeno relacionado con los procesos de emisión viables en los láseres de rayos X.
El líder del proyecto, Anders Madsen, comentó: "Ver este proceso es casi mágico. La fluorescencia normal se dispersa en todas las direcciones, independientemente de la dirección del haz incidente. Pero cuando se supera el umbral de ASE, se puede ver el haz comenzando a concentrarse hacia adelante."
Inicialmente, a medida que los investigadores aumentaban la energía del pulso, la señal de ASE crecía rápidamente. Sin embargo, a energías más altas, la señal comenzó a estabilizarse, un comportamiento conocido como saturación. Esta respuesta es consistente con la intensidad extremadamente alta estimada en función de la energía del pulso, la duración y el tamaño del punto de enfoque, proporcionando una verificación independiente para los cálculos.
Aplicaciones potenciales de los pulsos de rayos X intensos
Este logro podría ayudar a los investigadores a estudiar el comportamiento de los electrones en átomos y moléculas, incluyendo cómo la materia reacciona a la iluminación intensa de rayos X. A largo plazo, estas investigaciones podrían facilitar el control de los electrones durante los procesos de reacciones químicas. Los investigadores ya están explorando métodos para capturar estos cambios rápidos, incluyendo experimentos de imagen de electrones y átomos durante los procesos de reacciones químicas. Sin embargo, el experimento demostró la generación y verificación de pulsos de rayos X intensos, en lugar de un control directo de los electrones durante el proceso de reacción. Actualmente, los investigadores están utilizando un sistema de espejos AKB traído de Japón.
Se espera que el European XFEL obtenga su propio sistema a principios de 2027. Después de la instalación y prueba, este sistema permitirá que estos breves y potentes destellos de rayos X estén disponibles para investigadores de todo el mundo que utilicen el instrumento MID de la instalación.
Impacto de esta tecnología en la investigación de electrones
El avance de esta tecnología radica en la capacidad de concentrar pulsos de rayos X extremadamente cortos, lo cual es crucial para investigar el comportamiento de los electrones en átomos y moléculas. Con el aumento de la intensidad y el flujo, los científicos podrán profundizar en cómo los electrones reaccionan bajo iluminación intensa, y potencialmente lograr un control sobre los electrones durante los procesos de reacciones químicas en el futuro. Esto no solo impulsará el desarrollo de la ciencia básica, sino que también podría tener un impacto revolucionario en la ciencia de materiales y en las aplicaciones de reacciones químicas.