Un nuevo parámetro de referencia para la ciencia ultrarrápida de rayos X
Investigadores de la Linac Coherent Light Source (LCLS), situada en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía de Estados Unidos, han medido los pulsos de rayos X de alta energía más cortos registrados hasta ahora en un láser de electrones libres de rayos X. Los pulsos descritos tenían energías fotónicas de aproximadamente 9 kiloelectronvoltios y duraban entre 100 y 400 attosegundos.
Un attosegundo es la milmillonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo. En esa escala temporal, los investigadores buscan estudiar procesos extremadamente rápidos en la materia, incluido el movimiento electrónico. Los resultados se publicaron en Nature Photonics.
La importancia del resultado no radica únicamente en la duración del pulso, sino también en que el equipo pudo medirla. Según Agostino Marinelli, investigador de SLAC y autor del estudio, producir pulsos de rayos X de alta energía en attosegundos había requerido varios años de desarrollo; demostrar que solo duraban unos pocos cientos de attosegundos fue la tarea más difícil.
Los rayos X duros combinan velocidad y penetración
El experimento se centró en rayos X duros, o de alta energía. Los pulsos de aproximadamente 9 keV tienen energía suficiente para explorar el interior de sistemas atómicos y son lo bastante breves para capturar el movimiento electrónico en escalas temporales ultrarrápidas. Esa combinación los hace relevantes para experimentos que buscan examinar la materia en sus escalas más pequeñas y rápidas.
En un láser de electrones libres de rayos X, los pulsos cortos por sí solos no bastan para establecer una capacidad científica utilizable. Los investigadores necesitan una forma de caracterizar la energía, el espectro, la forma y la duración del pulso. Sin ese diagnóstico, no se puede confirmar un pulso ultracorto con la confianza necesaria para experimentos que dependen de una sincronización precisa.
Uso de la fluorescencia como diagnóstico del pulso
El primer autor del estudio, Ichiro Inoue, de la Universidad de Tokio, propuso un método de medición indirecta basado en la emisión espontánea amplificada, o ASE. La ASE ocurre cuando un pulso de rayos X intensamente enfocado excita un material y provoca que emita fluorescencia hacia delante. La información sobre el pulso de rayos X original queda incorporada en esa fluorescencia emitida.
En el experimento de LCLS, el equipo generó un haz que se creía contenía rayos X en attosegundos. Parte del haz se envió a un detector que midió su energía y forma espectral. El haz restante se enfocó en un punto de apenas 150 nanómetros de ancho sobre una lámina de cobre. Esa interacción generó ASE, que fue captada por un segundo detector.
Al utilizar la señal de fluorescencia junto con las mediciones del haz original, los investigadores pudieron inferir propiedades del pulso de rayos X, incluida su duración. El diagnóstico aportó pruebas de que los pulsos de rayos X duros se encontraban en el intervalo de 100 a 400 attosegundos.
Por qué importa la medición
La investigación con pulsos ultracortos depende de ajustar la herramienta de sincronización al evento estudiado. El movimiento electrónico puede desarrollarse mucho más rápido que los cambios químicos visibles en escalas temporales más largas. En principio, un pulso de unos cientos de attosegundos puede ofrecer una ventana temporal mucho más precisa que destellos de rayos X más largos.
Por tanto, el diagnóstico demostrado añade una capacidad práctica importante a la generación de rayos X duros en attosegundos. En lugar de basarse en una suposición sobre la duración del pulso, los investigadores pueden evaluar si el haz posee las características necesarias para un experimento ultrarrápido.
El trabajo también ilustra el papel de los métodos experimentales en el avance de los instrumentos científicos. El récord comunicado procede de la combinación de generación del haz, enfoque a escala nanométrica, un objetivo de cobre y dos mediciones complementarias. Cada elemento era necesario para convertir un haz ultrarrápido en un resultado medible.
Qué viene después
El artículo original describe estos pulsos como valiosos para trabajar en las escalas más pequeñas y rápidas. Ese planteamiento apunta a estudios en los que los rayos X de alta energía pueden explorar sistemas atómicos y la sincronización en attosegundos puede resolver el comportamiento electrónico rápido. El resultado comunicado no describe por sí mismo un material o proceso concreto observado con los nuevos pulsos; establece y verifica la capacidad del pulso.
Para LCLS y el campo más amplio de los láseres de electrones libres de rayos X, el avance constituye un nuevo parámetro de referencia de medición: pulsos de rayos X duros con energías fotónicas cercanas a 9 keV y duraciones de hasta 100 attosegundos, confirmados mediante un diagnóstico basado en ASE. Los futuros experimentos podrán apoyarse en esa base cuando necesiten tanto el alcance penetrante de los rayos X duros como la resolución temporal de la ciencia de los attosegundos.
Puntos clave
- LCLS midió pulsos de rayos X duros de entre 100 y 400 attosegundos.
- Los pulsos tenían energías fotónicas de aproximadamente 9 keV.
- El equipo utilizó la emisión espontánea amplificada de una lámina de cobre como diagnóstico indirecto.
- El estudio se publicó en Nature Photonics.
Este artículo se basa en la información publicada por Phys.org. Leer el artículo original.
Originally published on phys.org
