Las ráfagas ultracortas de electrones tienen varias aplicaciones importantes en la obtención de imágenes científicas, pero producirlos ha requerido típicamente un costoso, Aparato hambriento de energía del tamaño de un automóvil.

En el diario Optica , investigadores del MIT, el sincrotrón alemán, y la Universidad de Hamburgo en Alemania describen una nueva técnica para generar ráfagas de electrones, lo que podría ser la base de un dispositivo del tamaño de una caja de zapatos que consume solo una fracción de la energía que sus predecesores.

Los haces de electrones ultracortos se utilizan para recopilar directamente información sobre materiales que están experimentando reacciones químicas o cambios de estado físico. Pero después de disparar un acelerador de partículas de media milla de largo, también se utilizan para producir radiografías ultracortas.

El año pasado, en Comunicaciones de la naturaleza , el mismo grupo de investigadores del MIT y Hamburgo informó sobre el prototipo de un pequeño "acelerador lineal" que podría tener el mismo propósito que el acelerador de partículas mucho más grande y caro. Esa tecnología, junto con una versión de mayor energía del nuevo "cañón de electrones, "podría llevar el poder de generación de imágenes de los pulsos de rayos X ultracortos a los laboratorios académicos y de la industria.

En efecto, mientras que las explosiones de electrones reportadas en el nuevo artículo tienen una duración medida en cientos de femtosegundos, o cuadrillonésimas de segundo (que es aproximadamente lo que pueden manejar los mejores cañones de electrones existentes), El enfoque de los investigadores tiene el potencial de reducir su duración a un solo femtosegundo. Un estallido de electrones de un solo femtosegundo podría generar pulsos de rayos X de attosegundos, lo que permitiría obtener imágenes en tiempo real de la maquinaria celular en acción.

"Estamos construyendo una herramienta para los químicos, físicos, y biólogos que utilizan fuentes de luz de rayos X o haces de electrones directamente para realizar su investigación, "dice Ronny Huang, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica del MIT y primer autor del nuevo artículo. "Debido a que estos haces de electrones son tan cortos, te permiten congelar el movimiento de los electrones dentro de las moléculas a medida que las moléculas están experimentando una reacción química. Una fuente de luz de rayos X de femtosegundos requiere más hardware, pero utiliza cañones de electrones ".

En particular, Huang explica, con una técnica llamada imágenes por difracción de electrones, los físicos y los químicos utilizan ráfagas ultracortas de electrones para investigar los cambios de fase en los materiales, como la transición de un estado eléctricamente conductor a uno no conductor, y la creación y disolución de enlaces entre moléculas en reacciones químicas.

Los pulsos de rayos X ultracortos tienen las mismas ventajas que los rayos X normales:penetran más profundamente en materiales más gruesos. El método actual para producir rayos X ultracortos implica enviar ráfagas de electrones desde un cañón de electrones del tamaño de un automóvil a través de un billón de dólares, Acelerador de partículas de un kilómetro de largo que aumenta su velocidad. Luego pasan entre dos filas de imanes, conocidos como "onduladores", que los convierten en rayos X.

En el artículo publicado el año pasado, en el que Huang fue coautor, el grupo MIT-Hamburgo, junto con colegas del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo y la Universidad de Toronto, describió un nuevo enfoque para acelerar los electrones que podrían encoger los aceleradores de partículas al tamaño de una mesa. "Se supone que esto complementa eso, "Huang dice, sobre el nuevo estudio.

Franz Kärtner, quien fue profesor de ingeniería eléctrica en el MIT durante 10 años antes de mudarse al Sincrotrón Alemán y a la Universidad de Hamburgo en 2011, lideró el proyecto. Kärtner sigue siendo investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y es asesor de tesis de Huang. A él y a Huang se unen en el nuevo artículo ocho colegas del MIT y de Hamburgo.

Confinamiento de sublongitud de onda

El nuevo cañón de electrones de los investigadores es una variación de un dispositivo llamado cañón de RF. Pero cuando la pistola de RF utiliza radiación de radiofrecuencia (RF) para acelerar los electrones, el nuevo dispositivo usa radiación de terahercios, la banda de radiación electromagnética entre microondas y luz visible.

El dispositivo de los investigadores, que es del tamaño de una caja de cerillas, consta de dos placas de cobre que, en sus centros, están a sólo 75 micrómetros de distancia. Cada plato tiene dos curvas, de modo que parece más bien una carta triple que ha sido abierta y colocada de lado. Las placas se doblan en direcciones opuestas, para que estén lo más alejados (6 milímetros) en sus bordes.

En el centro de una de las placas hay un portaobjetos de cuarzo sobre el que se deposita una película de cobre que, en su forma más delgada, tiene solo 30 nanómetros de espesor. Un breve estallido de luz de un láser ultravioleta incide en la película en su punto más delgado, electrones sueltos discordantes, que se emiten en el lado opuesto de la película.

Al mismo tiempo, una ráfaga de radiación de terahercios pasa entre las placas en una dirección perpendicular a la del láser. Se puede pensar que toda la radiación electromagnética tiene componentes eléctricos y magnéticos, que son perpendiculares entre sí. La radiación de terahercios está polarizada de modo que su componente eléctrico acelera los electrones directamente hacia la segunda placa.

La clave del sistema es que el estrechamiento de las placas confina la radiación de terahercios a un área (la brecha de 75 micrómetros) que es más estrecha que su propia longitud de onda. "Eso es algo especial, "Dice Huang". Normalmente, en óptica, no se puede limitar algo por debajo de una longitud de onda. Pero usando esta estructura pudimos. Confinarlo aumenta la densidad de energía, lo que aumenta la potencia de aceleración ".

Debido a ese mayor poder de aceleración, el dispositivo puede arreglárselas con haces de terahercios cuya potencia es mucho menor que la de los haces de radiofrecuencia utilizados en una pistola de RF típica. Es más, el mismo láser puede generar tanto el rayo ultravioleta como, con algunos componentes ópticos adicionales, el haz de terahercios.

Según James Rosenzweig, profesor de física en la Universidad de California en Los Ángeles, ese es uno de los aspectos más atractivos del sistema de los investigadores. "Uno de los principales problemas que tiene con fuentes ultrarrápidas como esta es la fluctuación de tiempo entre, decir, el láser y el campo de aceleración, que produce todo tipo de efectos sistemáticos que dificultan la difracción de electrones resuelta en el tiempo, "Dice Rosezweig.

"En el caso del dispositivo de Kärtner, el láser produce el terahercio y también produce los fotoelectrones, por lo que el jitter se suprime en gran medida. Podrías hacer experimentos de bomba-sonda donde el láser es el conductor y los electrones serían la sonda, y tendrían más éxito que lo que tiene ahora. Y, por supuesto, sería un dispositivo de tamaño muy pequeño y de costo modesto. Así que podría resultar muy importante en lo que respecta a ese escenario ".