- El equipo de investigación de SLAC ha generado el pulso de rayos X de alta energía más corto, con una duración entre 100 y 400 attosegundos.
- Los pulsos ultracortos permiten observar estructuras perfectas, reduciendo el daño por radiación, lo que representa un hito importante para los investigadores.
- La nueva técnica amplía la ciencia de attosegundos al rango de energía de fotones de aproximadamente 9 keV.
- Los rayos X duros en attosegundos pueden capturar instantáneas de estados no dañados, mejorando la imagenología a escala nanométrica.
Los investigadores del Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC han generado y medido el pulso de rayos X de alta energía ("duro") más corto registrado en un láser de electrones libres de rayos X (XFEL). Este estudio confirmó que, a altas energías de fotones (alrededor de 9 keV), la duración del pulso se encuentra entre 100 y 400 attosegundos. Estos destellos de rayos X "duros" cambian fundamentalmente la forma en que observamos y controlamos la materia cuántica. Los científicos ya están utilizando estos pulsos ultracortos para capturar el movimiento en tiempo real de electrones dentro de átomos y en plasmas densos.
Estos pulsos ultracortos permiten a los científicos observar estructuras perfectas, superando el daño por radiación causado por los propios rayos X. "Esto es un hito importante para los investigadores que esperan utilizar rayos X duros en attosegundos en LCLS", afirmó el profesor Ichiro Inoue de la Universidad de Tokio.
Producción y medición de pulsos en attosegundos
La producción de pulsos en attosegundos es extremadamente difícil, y medir un pulso es aún más complicado. "A lo largo de los años, hemos aprendido a crear estos pulsos de alta energía en attosegundos, pero medir pulsos tan cortos es realmente muy difícil. Esta es la primera herramienta de diagnóstico que demuestra que el pulso tiene efectivamente solo unos pocos cientos de attosegundos de duración", explicó Agostino Marinelli, profesor de SLAC y autor del estudio. La solución provino del autor principal Inoue, quien propuso una técnica de medición indirecta utilizando amplificación de emisión espontánea (ASE). ASE, en esencia, divide el haz de rayos X para medir directamente su espectro de energía, mientras que el resto de la luz se enfoca en una lámina de cobre para generar fluorescencia hacia adelante.
Los investigadores probaron el Linac Coherent Light Source de SLAC al disparar un haz de alta energía y dividirlo en dos caminos. Una parte llega directamente al detector que registra el espectro de energía, mientras que el resto de la luz se concentra en un punto de 150 nanómetros sobre la lámina de cobre para generar radiación fluorescente. La combinación de las mediciones de los dos detectores permitió al equipo calcular la duración instantánea y precisa del pulso. Esta técnica amplía la ciencia de attosegundos al rango de energía de fotones de aproximadamente 9 keV, lo que representa un salto de magnitud más allá de los experimentos de rayos X suaves que operaban por debajo de 5 keV.
¿Por qué son tan importantes estos rayos X duros ultracortos? Por su profundidad y velocidad. Los rayos X suaves de baja energía son adecuados para observar enlaces químicos en la capa externa de los átomos. Los rayos X duros de alta energía (por encima de 5 keV) pueden penetrar en materiales densos, permitiendo a los científicos determinar la posición de los electrones con precisión atómica. "La física de plasmas es muy caótica. Normalmente, excitamos la muestra y luego el sistema se relaja y reorganiza antes de que podamos extraer mediciones. A menudo nos vemos obligados a depender de modelos y hacer suposiciones sobre lo que realmente está sucediendo", comentó Sam Vinko, físico de la Universidad de Oxford.
Aplicaciones de los rayos X duros en attosegundos
Los científicos ahora pueden dirigirse a sistemas extremos, como aquellos en experimentos de energía de fusión inercial, y capturar estados excitados del núcleo congelado antes de que se difuminen o evolucionen. Los rayos X suelen destruir las muestras delicadas que escanean, pero los rayos X duros en attosegundos evitan esta destrucción debido a su velocidad extrema. Dado que el destello termina antes de que ocurra el daño o la descomposición, los investigadores pueden tomar instantáneas del sistema en un estado no dañado. Tais Gorkhover, de la Universidad de Hamburgo, considera que esta capacidad no solo mejorará la imagenología a escala nanométrica, sino que también podría ayudar a controlar completamente e incluso revertir la interacción entre la luz y la materia.
El último hito de SLAC abre una nueva era para la dinámica cuántica, proporcionando a los investigadores una cámara con un obturador más rápido que la descomposición atómica.
Impacto de los rayos X duros en attosegundos en la investigación cuántica
El desarrollo de los rayos X duros en attosegundos marca un avance significativo en la investigación de la dinámica cuántica, ya que pueden capturar fenómenos instantáneos sin dañar las muestras. Esto permite a los científicos observar y controlar sistemas cuánticos con mayor precisión, especialmente en situaciones que involucran alta energía y materiales densos. A medida que la tecnología avanza, las investigaciones futuras podrán explorar en profundidad el comportamiento dinámico a nivel atómico y molecular, lo que tiene importantes implicaciones para campos como la ciencia de materiales y la investigación energética.