Nuestro equipo de físicos ha generado sin darse cuenta los pulsos de rayos X más cortos jamás observados

Los médicos no solo utilizan las radiografías para ver el interior de su cuerpo y determinar si tiene un hueso roto. Haces más potentes formados por destellos muy cortos de rayos X pueden ayudar a los científicos a examinar la estructura de átomos y moléculas individuales y distinguir entre tipos de elementos.

Pero conseguir un rayo láser de rayos X que produzca destellos súper cortos para registrar los procesos más rápidos de la naturaleza no es fácil: es toda una ciencia en sí misma.

Las ondas de radio, las microondas, la luz visible que puedes ver, la luz ultravioleta y los rayos X son exactamente el mismo fenómeno: ondas electromagnéticas de energía que se mueven por el espacio. Lo que los diferencia es su longitud de onda. Las ondas en el rango de los rayos X tienen longitudes de onda cortas, mientras que las ondas de radio y las microondas son mucho más largas. Diferentes longitudes de onda de luz son útiles para diferentes cosas: los rayos X ayudan a los médicos a tomar fotografías de su cuerpo, mientras que las microondas pueden calentar su almuerzo.

El arco iris de luz visible que puedes ver es sólo una pequeña porción de todo tipo de luz. Aunque toda la luz es el mismo fenómeno, actúa de manera diferente dependiendo de qué tan larga sea su longitud de onda y qué tan alta sea su frecuencia. Carga inductiva, NASA/Wikimedia Commons, CC BI-SA

Los láseres ópticos son dispositivos que emiten haces de luz paralelos o colimados. Envían un rayo donde todas las ondas tienen la misma longitud de onda (la luz roja que se obtiene de un puntero láser es un ejemplo) y oscilan en sincronía.

Durante los últimos 15 años, los científicos han desarrollado láseres de rayos X con electrones libres, que en lugar de emitir haces de luz visible, emiten rayos X. Están alojados en grandes instalaciones donde los electrones viajan a través de un largo acelerador -dependiendo de la instalación, entre unos pocos cientos de metros y 1.700 yardas- y después de pasar por una serie de miles de imanes generan pulsos de rayos X extremadamente cortos y potentes.

El Acelerador Lineal de Stanford, que se muestra arriba, es un láser de electrones libres de rayos X de 1,9 millas de largo. Peter Kaminski, utilizando datos del USGS, CC BI

Los pulsos se utilizan como fotografía con flash, donde el flash (un pulso de rayos X) es lo suficientemente corto como para capturar el movimiento rápido de un objeto. Los investigadores los han utilizado como cámaras para estudiar cómo los átomos y las moléculas se mueven y cambian dentro de los materiales o las células.

Pero si bien estos pulsos láser de electrones libres de rayos X son muy cortos y potentes, no son los pulsos más cortos que los científicos pueden generar con láser. Utilizando tecnología más avanzada y aprovechando las ventajas de algunos materiales, los investigadores pueden crear pulsos aún más cortos: en el rango de attosegundos.

Un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo. Un attosegundo es a un segundo lo que un segundo a la edad del universo de 14 mil millones de años. Los procesos más rápidos en átomos y moléculas ocurren en la escala de attosegundos: por ejemplo, los electrones tardan attosegundos en moverse dentro de una molécula.

Somos físicos que trabajamos con láseres de electrones libres de rayos X. Estudiamos qué sucede cuando ponemos diferentes tipos de materiales en el camino de los pulsos de rayos X de electrones libres. En el nuevo experimento, colocamos muestras de cobre y manganeso en el camino de pulsos láser de rayos X altamente enfocados de electrones libres. Sabíamos que las interacciones entre estos elementos y los pulsos de láser de rayos X de electrones libres generarían nuevos pulsos de láser de rayos X.

Originalmente queríamos descubrir cómo las diferentes formas químicas del elemento manganeso (por ejemplo, manganeso II y manganeso VII) crearían pequeños cambios en las longitudes de onda de estos pulsos láser de rayos X recién generados.

Pero en el camino encontramos algunos resultados inesperados que hicieron que los pulsos de láser de rayos X recién generados parecieran extraños. Al principio no entendíamos por qué, pero cuando finalmente lo descubrimos, nos dimos cuenta de que habíamos descubierto dos fenómenos láser únicos y que estos efectos nos ayudaron a generar pulsos de láser de rayos X que eran mucho más cortos de lo que esperábamos: más cortos que los pulsos de rayos X más rápidos jamás generados antes.

Los pulsos cortos generados por el láser en SLAC permiten a los investigadores estudiar moléculas a escala atómica o ver cómo diferentes materiales interactúan con la luz de rayos X. Filamento – trazos irregulares

Descubrimos que nuestros nuevos pulsos láser de rayos X no siempre se disparaban hacia adelante, como esperábamos. Cuando aumentamos la intensidad de los pulsos del láser de rayos X de electrones libres, los nuevos pulsos del láser de rayos X resultantes emanaron de forma irregular, en direcciones ligeramente diferentes.

En el caso de los láseres ópticos, estas protuberancias irregulares (o filamentos) son el resultado de un cambio en el índice de refracción del material del láser. Pero no esperábamos ver este efecto en los rayos X, ya que los materiales (incluidos el manganeso y el cobre que utilizamos) no refractan mucho los rayos X.

Sin embargo, los pulsos láser de electrones libres de rayos X de alta intensidad que utilizamos generaron fluctuaciones a nivel cuántico en nuestros materiales que condujeron a estas explosiones irregulares.

Ciclismo Rabi: un amplio espectro de luz

Aún más sorprendente que los efectos de filamentación que vimos fue el hecho de que los pulsos de rayos X que generamos contenían una gama de longitudes de onda diferentes que estaban más extendidas de lo que esperábamos ver con los materiales que utilizamos.

Hace setenta años (cinco antes de que se construyera el primer láser óptico) los físicos Stanley Odler y Charles Townes descubrieron un extraño fenómeno en las microondas conocido como ciclo de Rabi. Y la dispersión de longitudes de onda que vimos se parecía a la del ciclismo de Rabi.

Autler y Townes sabían que cuando la luz incide sobre un átomo, éste absorbería su energía excitando al electrón de un nivel de energía a uno superior. El hueco dejado por ese electrón faltante se llena con un electrón que desciende de un nivel de energía superior en el átomo y libera (o emite) esta diferencia de energía en forma de luz.

Lo que Autler y Townes descubrieron es que cuando las microondas son muy intensas, un fuerte campo eléctrico puede dividir cada uno de estos niveles de energía en dos niveles diferentes, llamados dobletes, que tienen energías ligeramente diferentes.

Estos dobletes están separados por una energía o frecuencia conocida como frecuencia de Rabi. La frecuencia de Rabi depende de la intensidad de la nueva luz. Cuanto más fuerte es, mayor es la separación de energía.

Un espectro de una imagen láser de rayos X que muestra las tres líneas (llamadas triplete de Moll) que caracterizan el ciclismo de Rabi. La energía separada se muestra por la distancia de los dos puntos más pequeños al punto central más fuerte. Uwe Bergman y Thomas Linker

En el descubrimiento de Otler y Townes del ciclismo de Rabi, utilizaron hornos microondas. La división de energía fue tan pequeña que la frecuencia de Rabi era muy baja, en frecuencias de ondas de radio.

En este nuevo estudio utilizamos rayos X, que tienen longitudes de onda 100 millones de veces más cortas que las microondas y 100 millones de veces más energía. Esto significó que los nuevos pulsos de láser de rayos X resultantes se dividieron en diferentes longitudes de onda de rayos X correspondientes a las frecuencias de Rabi en la región ultravioleta extrema. La luz ultravioleta tiene una frecuencia 100 millones de veces mayor que las ondas de radio.

Este efecto del ciclo de Rabi nos permitió generar los pulsos de rayos X de alta energía más cortos hasta la fecha, de 60 a 100 attosegundos.

Direcciones y aplicaciones futuras

Si bien los pulsos que generan actualmente los láseres de rayos X de electrones libres permiten a los investigadores observar la formación, reordenamiento y ruptura de enlaces atómicos, no son lo suficientemente rápidos para mirar dentro de la nube de electrones que genera dichos enlaces. El uso de estos nuevos pulsos de láser de rayos X de attosegundos podría permitir a los científicos estudiar los procesos más rápidos en materiales en la escala de longitud atómica y discernir diferentes elementos.

En el futuro, también esperamos utilizar pulsos láser de rayos X de electrones libres mucho más cortos para generar mejor estos pulsos de rayos X de attosegundos. Incluso esperamos generar pulsos por debajo de 60 attosegundos utilizando materiales más pesados ​​con vidas más cortas, como el tungsteno o el hafnio. Estos nuevos pulsos de rayos X son lo suficientemente rápidos como para permitir a los científicos responder preguntas como exactamente cómo se mueve la nube de electrones y qué es realmente el enlace químico.