Los científicos de DESY han configurado el 'metrónomo' más preciso del mundo para una red de un kilómetro de ancho. El sistema de cronometraje sincroniza una red láser-microondas de 4,7 kilómetros de longitud con una precisión de 950 attosegundos. Un attosegundo es una quintillonésima parte de un segundo, o una millonésima de millonésima de millonésima de segundo. Estas instalaciones pueden proporcionar el ritmo para grabar instantáneas de rayos X ultrarrápidas de procesos dinámicos en el mundo de las moléculas y los átomos. El equipo germano-estadounidense en torno al destacado científico de DESY, el profesor Franz X. Kärtner del Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) de Hamburgo, informa sobre el logro en la revista científica. Luz:ciencia y aplicaciones .

"La precisión extrema de la sincronización es importante para muchas áreas de investigación, "dice el estudiante de doctorado Kemal Şafak del grupo de Kärtner, uno de los autores principales del artículo. "Por ejemplo, Las desafiantes tareas de geodesia requieren sincronización de señales con precisión de picosegundos, que es una billonésima de segundo. La navegación de alta precisión y los arreglos de múltiples telescopios para astronomía necesitan una precisión incluso mayor de hasta 40 femtosegundos ". Un femtosegundo es una billonésima de segundo, o 1000 attosegundos.

Los centros de investigación como DESY que trabajan en láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) tienen como objetivo tomar instantáneas de procesos ultrarrápidos en el nanocosmos, por ejemplo, dinámica estructural de biomoléculas o reacciones químicas. "Los rayos X proporcionan una excelente resolución espacial en la escala de los átomos, "explica Şafak." El desafío es lograr la resolución temporal necesaria en la escala de attosegundos, donde tienen lugar importantes procesos moleculares y atómicos ".

El pionero FLASH láser de electrones libres de DESY ya cuenta con una impresionante precisión de sincronización en toda la instalación de 30 femtosegundos. Esto es importante para los denominados experimentos de bomba-sonda, donde un proceso dinámico, una reacción química por ejemplo, se inicia con un pulso de láser y se analiza con otro pulso de láser después de un retraso bien definido. La repetición del experimento con tiempos de retardo que aumentan lentamente produce una serie de instantáneas y crea una película en cámara superlenta de la reacción o el proceso que se investiga. Sin sincronización entre los pulsos, la dinámica no se puede resolver claramente en la película.

"Si podemos lograr una precisión aún mejor, esto prometería una ciencia radicalmente nueva al arrojar luz sobre los procesos moleculares y atómicos que ocurren en la escala de tiempo de attosegundos. Se espera que esto revolucione muchos campos de investigación, desde la biología estructural hasta la ciencia de los materiales y la química hasta la física fundamental. "explica Kärtner, quien también es profesor de Física en la Universidad de Hamburgo y continúa dirigiendo programas de investigación activos en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), donde comenzó a trabajar en sistemas de distribución de sincronización de alta precisión hace más de una década.

"Las instalaciones como los XFEL y los centros de ciencia técnica basados ​​en láser requieren una sincronización a nivel de attosegundos de todo el sistema de docenas de señales ópticas y de microondas, a menudo a distancias de un kilómetro, ", añade Kärtner. Para ello, Los investigadores han desarrollado un sistema de distribución de tiempo óptico que utiliza el tren de pulsos de ruido ultrabajo de un láser de modo bloqueado como su señal de tiempo. Usando enlaces de fibra óptica estabilizados, la señal de temporización se transfiere a una larga distancia desde una ubicación central a múltiples estaciones finales, donde se realiza una sincronización eficiente y robusta con fuentes ópticas y de microondas remotas.

Al desarrollar nuevos detectores de temporización ultrarrápidos y suprimir cuidadosamente las no linealidades de la fibra junto con las contribuciones fundamentales de ruido, los científicos han podido lograr una precisión de sincronización de 950 attosegundos en una red de microondas láser de 4,7 km de longitud durante 18 horas. "Hasta donde sabemos, Es la primera vez que se logra una sincronización mejor que un solo femtosegundo entre láseres de modo bloqueado distantes y osciladores de microondas en una escala de toda la instalación durante un período de tiempo prolongado. "dice Şafak.

"La red láser-microondas de precisión de attosegundos permitirá que los XFEL de próxima generación y otras instalaciones científicas funcionen con una precisión de tiempo sin precedentes, ayudándoles a desarrollar todo su potencial, "subraya Kärtner." Esto impulsará nuevos esfuerzos científicos hacia la realización de películas atómicas y moleculares en la escala de tiempo de attosegundos, abriendo así muchas nuevas áreas de investigación en biología, desarrollo de fármacos, química, física fundamental y ciencia de los materiales. Además, También se espera que esta técnica acelere los desarrollos en muchos otros campos de investigación de frontera que requieren una alta resolución temporal, como la comparación de relojes ópticos ultraestables, astronomía de ondas gravitacionales y conjuntos de antenas ópticas coherentes ".