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Científicos del Grupo de Óptica Extrema de la Universidad de Salamanca logran generar rayos X coherentes e intensos por láser

08/06/2012 | Comunicación Universidad de Salamanca

‘Science’ publica los resultados vanguardistas de este estudio, desarrollado por Carlos Hernández y Luis Plaja en colaboración con investigadores de las universidades de Colorado, Técnica de Viena y Cornell

Durante el año 2012 se cumplió el 50 aniversario del descubrimiento del láser, un dispositivo que ofrece grandes beneficios a la sociedad mediante las comunicaciones en internet, reproductores DVD/Blue-Ray, cirugía láser en medicina, así como en muchos otros ámbitos. Un haz láser representa una de las mejores maneras de concentrar energía, consiguiendo realizar cortes extremadamente precisos, tanto en tejido ocular como en acero, o mandar enormes cantidades de información por internet en forma de pequeños paquetes de luz. Sin embargo, la misma revolución que tuvo lugar para fuentes de luz visibles con la obtención de haces de luz láser está teniendo lugar ahora para los rayos X.

La naturaleza de los rayos X es exactamente la misma que la de la luz visible: son campos electromagnéticos. Siendo así ¿Por qué hemos tardado 50 años en crear haces láser de rayos X? La respuesta está en la energía del fotón de rayos X, mil veces mayor que la de los fotones visibles. Generar radiación X necesita una inversión de energía enorme, mucho mayor de la que puede almacenar los átomos de los materiales sin fragmentarse. Por otro lado, es extremadamente penetrante y los diseños convencionales de láseres, basados en espejos, no funcionan. La alternativa, hasta ahora, consistía en trabajar con electrones acelerados en enormes instalaciones hasta velocidades muy próximas a la de la luz.

Afortunadamente, un enfoque alternativo nos permite generar eficientemente haces láser de rayos X de longitudes de onda muy cortas (< 1 nanómetro, o < 10 armstrongs), con láseres en el medio infrarrojo que ocupan únicamente una mesa de laboratorio. Es un avance vanguardista que acaba de ser publicado en la revista Science y forma parte de una colaboración internacional compuesta por la Universidad de Colorado en Boulder (USA), la Universidad Técnica de Viena (Austria), la Universidad de Cornell (USA) y la Universidad de Salamanca (España).

Se trata de utilizar un láser de gran intensidad para fragmentar los átomos de un gas de forma controlada. Los electrones fragmentados son reconducidos por el campo intenso nuevamente hacia los restos del átomo – el ión-, al mismo tiempo que son acelerados. La velocidad final de los electrones es tanto mayor cuanto mayor es la longitud de onda del láser intenso. Por ello, en este trabajo hemos utilizado una nueva generación de láseres de longitud de onda más larga que los usados anteriormente. Cada átomo se convierte así en un minúsculo colisionador de partículas, un nanoacelerador de una millonésima de milímetro, del cual los fotones de rayos X emergen como resultado de la colisión.

Pero lo que hace realmente excepcional a estos nano-colisionadores no es su tamaño, sino que funcionan todos de forma sincronizada, como una gran orquesta siguiendo fielmente la batuta de las oscilaciones del láser de alta intensidad. Los rayos X emitidos construyen, entonces, oscilaciones de campo electromagnético perfectamente ordenadas, lo que se denomina una radiación coherente. Una situación muy diferente a la que se consigue en los aceleradores convencionales, por ejemplo los sincrotrones. Esta regularidad en la emisión de los rayos X es exactamente la que diferencia un láser de una fuente de luz convencional. Es, en definitiva, lo que hace del láser una herramienta tan particular.

Como la longitud de onda de los rayos X es más de 1.000 veces corta que la luz visible, son capaces de penetrar una gran variedad de materiales, de forma que los rayos X coherentes descubiertos en este trabajo son revolucionariamente prometedores como herramientas para entender y controlar cómo funciona el mundo en la escala nanométrica, de cara a la próxima generación de aplicaciones electrónicas, almacenamiento de información, y diagnóstico médico.

Este trabajo principalmente realiza una versión láser, del tubo de rayos X de Roentgen, en la región de los rayos X blandos. Este tipo de investigaciones demuestran la complementariedad de la ciencia desarrollada en los diferentes países. Los grupos experimentales, de Boulder y Viena, son expertos en la generación de armónicos y en los láseres intensos de infrarrojo respectivamente. Los grupos teóricos han demostrado propiedades de la radiación que, a día de hoy, no es posible medir. El grupo de Cornell es especialista en simular la propagación del láser intenso en gases densos, mientras que el grupo de Salamanca ha conseguido por primera vez una simulación del proceso de generación y propagación de los rayos X en las condiciones muy demandantes en las que se realizó el experimento. Son desarrollos que tardan años en ver la luz y son un ejemplo de los resultados que se consiguen con una financiación previa, adecuada y estable de la ciencia. España juega en esta liga ahora, ¿jugará en el futuro?

Posibles aplicaciones de los haces coherentes de rayos X
Entendemos por rayos X a la radiación electromagnética de longitudes de onda por debajo de los 10 nanómetros (10 millonésimas de milímetro). En esta publicación, la longitud de onda obtenida está por debajo del nanómetro (0.8 nanómetros), que corresponde a lo que se conoce como rayos X “blandos”, pero muy cerca de la frontera con los rayos X “duros”. La diferencia fundamental entre rayos X blandos y duros es su capacidad de penetración, mucho mayor para estos últimos. Por ejemplo, para aplicaciones de imagen biomédica (radiografías) se utilizan rayos X duros.

El resultado más importante de la investigación, sin embargo, no es tanto la producción de rayos X (existen muchas otras fuentes de rayos X), sino el hecho que la radiación producida es coherente. Para los físicos la coherencia es una manera de expresar regularidad. Por ejemplo, las olas del mar en un día de calma son coherentes porque se suceden de forma regular, con una distancia aproximadamente constante entre sus crestas. Las olas en un día de marejada son desordenadas y no permiten establecer ningún tipo de patrón.
Entre las aplicaciones potenciales de los rayos X blandos se encuentran las siguientes:

1- Medida de distancias con precisión del nanómetro (millonésima de milímetro). Las ondas coherentes tienen sus crestas a intervalos regulares. Esto permite medir distancias contando el número de crestas entre dos puntos del espacio. La resolución de la medida depende, por supuesto, de la distancia entre crestas. Esta distancia es la longitud de onda de la radiación. Para la mayoría de los láseres tienen longitudes de onda cercanas a la micra (milésima de milímetro) y, por ejemplo, pueden aplicarse para medir rugosidades en superficies de ese orden, o medidas de distancias con esta misma precisión. Los rayos X poseen longitudes de onda miles de veces más pequeñas que las visibles, lo cual permite medir tamaños mucho más pequeños como, por ejemplo, las dimensiones de algunas moléculas o de los dispositivos nanotecnológicos.

2- Microscopía nanoscópica. Cualquier imagen tiene una resolución mínima. No es tanto un problema tecnológico como de la propia naturaleza de la luz: Sabemos que la luz se dispersa completamente al iluminar objetos de tamaño igual o menor a su longitud de onda. La luz así dispersada pierde toda la información sobre la estructura y tamaño del objeto. Los rayos X, por tanto, ofrecen resoluciones nanométricas, lo cual permite resolver estructuras espaciales muy pequeñas como, por ejemplo, las partes integrantes de los virus más pequeños.

3- Física atómica de alta energía. Los láseres convencionales únicamente interaccionan con los electrones más superficiales de los átomos. Gracias a ellos tenemos una idea precisa de los procesos que ocurren a este nivel. Sin embargo, los electrones internos se encuentran fuera de su alcance: son tan energéticos que no es posible perturbarlos o controlarlos con los fotones de la radiación visible. Los rayos X interaccionan con estos electrones proporcionando información sobre los procesos que se llevan a cabo en el interior del átomo.

4- Observación ultrarrápida. Al igual que las olas del mar tranquilo, los haces coherentes no sólo son regulares en el espacio, sino también en el tiempo. La regularidad en el tiempo transcurrido entre el paso de dos crestas de la ola nos proporciona un reloj para medir los procesos de la Naturaleza. Para los láseres convencionales este reloj es ya enormemente preciso: tiene una resolución de alrededor de un femtosegundo (una mil billonésima de segundo, es decir la 1/1.000.000.000.000.000 parte de un segundo), lo que permite resolver el desarrollo de reacciones químicas. Los fenómenos físicos fundamentales son unas cien veces más rápidos, lo que requiere de radiación coherente de frecuencia mucho mayor a la del visible, es decir, rayos X. De hecho, en nuestra contribución los rayos X generados oscilan aún más rápidamente, lo que hace posible llegar a resoluciones temporales por debajo del attosegundo (una trillonésima de segundo, es decir la 1/1.000.000.000.000.000.000 parte de un segundo).

Una mirada a un futuro nada lejano
La investigación continúa. Si las difíciles circunstancias económicas que pasa España lo permiten, continuará en nuestro grupo. Si no, no hay duda que nuestros colegas de otros países seguirán adelante: la ciencia no tiene fronteras. ¿Qué es lo que hay por delante?

- Rayos X duros: Los modelos teóricos predicen que estamos muy cerca de la generación de rayos X-duros. La penetración de éstos en el tejido vivo abre un abanico de posibilidades en aplicaciones en biomedicina.
- Generación de pulsos de rayos X con duraciones por debajo del attosegundo (una trillonésima de segundo)
- Traducir la competencia en colaboración: La coherencia, es decir la regularidad de los rayos X generados en los laboratorios de la Universidad de Colorado en Boulder y de Universidad de Viena es extremadamente buena. Su brillo, es decir la intensidad de la emisión, es también extraordinario para este tipo de dispositivos. Sin embargo, existe un método alternativo para generar rayos X coherentes: los láseres de electrones libres. Estos dispositivos no pueden albergarse en un laboratorio universitario, sino que necesitan de grandes instalaciones, ligadas a los aceleradores de partículas convencionales. Su brillo es muy superior al conseguido en nuestro caso, pero la calidad de su coherencia es muy pobre. Ambos sistemas, sin embargo, no tienen por qué competir. La combinación de ambos métodos permite pensar en una estrategia común en la que el sistema que hemos presentado proporcione una señal de alta calidad (semilla) para ser amplificada en las diferentes etapas que componen el láser de electrones libres.
- Ir mucho más allá. En la física de frontera, los modelos teóricos nos muestran los caminos que vale la pena seguir, hacia dónde debemos dedicar nuestros esfuerzos y hacia dónde no vale la pena. La ciencia a “palo de ciego” resulta cara e inefectiva. El grupo de Salamanca tiene un gran trabajo por delante para refinar sus modelos, aumentar su conocimiento y explorar desde la distancia esa terra incognita, para dirigir sus naves al mejor de los puertos.

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Más información: Carlos Hernández y Luis Plaja, Grupo de Investigación en Óptica Extrema de la Universidad de Salamanca y miembros del consorcio de científicos internacional que desarrolla este proyecto.
Telf.: 923 294500, ext. 1337.
Correo electrónico: carloshergar@usal.es  lplaja@usal.es  
Web: http://optica.usal.es/
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08/06/2012 | Unidad de Comunicación de la USAL

Carlos Hernández y Luis Plaja, autores de la investigación por la Universidad de Salamanca.

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