Los rayos X hacen visible lo invisible:permiten determinar la estructura de los materiales hasta el nivel de los átomos individuales. En la década de 1950, fueron los rayos X los que revelaron la estructura de doble hélice del ADN. Con nuevas fuentes de rayos X, como el láser de electrones libres XFEL en Hamburgo, incluso es posible "filmar" reacciones químicas. Los resultados obtenidos de los estudios que utilizan estas nuevas fuentes de rayos X pueden estar a punto de ser aún más precisos. Un equipo alrededor de Kilian Heeg del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg ha encontrado una manera de hacer que el espectro de los pulsos de rayos X emitidos por estas fuentes sea aún más estrecho. A diferencia de los láseres estándar, que generan luz de un solo color y longitud de onda, Las fuentes de rayos X generalmente producen pulsos con un amplio espectro de diferentes longitudes de onda. Los pulsos más agudos pronto podrían impulsar aplicaciones que antes no eran factibles. Esto incluye probar constantes físicas y medir longitudes y tiempos incluso con mayor precisión de lo que se puede lograr en la actualidad.

Los investigadores utilizan luz y otras radiaciones electromagnéticas para desarrollar nuevos materiales en el trabajo en electrónica, automóviles, aviones o centrales eléctricas, así como para estudios sobre biomoléculas como la función de las proteínas. La radiación electromagnética también es la herramienta de elección para observar reacciones químicas y procesos físicos en los rangos micro y nano. Los diferentes tipos de espectroscopía utilizan diferentes longitudes de onda individuales para estimular oscilaciones características en componentes específicos de una estructura. Las longitudes de onda que interactúan con la estructura (los físicos usan el término resonancia) nos dicen algo sobre su composición y cómo están construidas; por ejemplo, cómo se organizan en el espacio los átomos de una molécula.

En contraste con la luz visible, que tiene una energía mucho menor, Los rayos X pueden desencadenar resonancia no solo en la capa de electrones de un átomo, pero también en lo profundo del núcleo atómico, su núcleo. Por tanto, la espectroscopia de rayos X proporciona un conocimiento único sobre los materiales. Además, las resonancias de algunos núcleos atómicos son muy nítidas, en principio permitiendo mediciones extremadamente precisas.

Las fuentes de rayos X generan destellos ultracortos con un amplio espectro

Fuentes de rayos X modernas como el láser de electrones libres XFEL en Hamburgo y el PETRA III (Hamburgo), y las fuentes de sincrotrón ESRF (Grenoble) son las principales candidatas para llevar a cabo dichos estudios. Los láseres de electrones libres, en particular, están optimizados para generar destellos de rayos X muy cortos, que se utilizan principalmente para estudiar procesos muy rápidos en el mundo microscópico de átomos y moléculas. Pulsos de luz ultracortos, sin embargo, a su vez tienen un amplio espectro de longitudes de onda. Como consecuencia, solo una pequeña fracción de la luz está en la longitud de onda correcta para causar resonancia en la muestra. El resto pasa directamente a través de la muestra, haciendo que la espectroscopia de resonancias nítidas sea bastante ineficaz.

Es posible generar un espectro de rayos X muy nítido, es decir, rayos X de una sola longitud de onda, utilizando filtros; sin embargo, dado que esto implica eliminar las longitudes de onda no utilizadas, la señal de resonancia resultante sigue siendo débil.

El nuevo método desarrollado por los investigadores en Heidelberg ofrece un aumento de tres a cuatro veces en la intensidad de la señal de resonancia. Junto con científicos de DESY en Hamburgo y ESRF en Grenoble, Kilian Heeg y Jörg Evers de la División de Christoph Keitel y un equipo alrededor de Thomas Pfeifer en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg han logrado hacer que parte de la radiación de rayos X que normalmente no interactuaría con la muestra contribuya a la señal de resonancia. Han probado con éxito su método en núcleos de hierro tanto en el ESRF en Grenoble como en el sincrotrón PETRA III de DESY en Hamburgo.

Una pequeña sacudida amplifica la radiación.

El enfoque de los investigadores para amplificar los rayos X se basa en el hecho de que, cuando los rayos X interactúan con núcleos de hierro (o cualquier otro núcleo) para producir resonancia, se vuelven a emitir después de un breve retraso. Estos rayos X reemitidos se retrasan exactamente la mitad de una longitud de onda con respecto a la parte de la radiación que ha pasado directamente. Esto significa que los picos de una onda coinciden exactamente con los valles de la otra onda, con el resultado de que se anulan entre sí. Esta interferencia destructiva atenúa los pulsos de rayos X en la longitud de onda resonante, que es también el origen fundamental de la absorción de luz.

"Utilizamos la ventana de tiempo de aproximadamente 100 nanosegundos antes de que los núcleos de hierro reemitan los rayos X, "explica el líder del proyecto Jörg Evers. Durante este período de tiempo, los investigadores mueven la lámina de hierro aproximadamente 40 mil millonésimas de milímetro (0,4 angstroms). Esta pequeña sacudida tiene el efecto de producir una interferencia constructiva entre las ondas de luz emitidas y transmitidas. "Es como si dos ríos, las ondas en una de las cuales están compensadas por la mitad de una longitud de onda de las ondas en la otra, encontrarse, "dice Evers, "y desplazas uno de los ríos exactamente a esta distancia". Esto tiene el efecto de que, después de que los ríos se encuentren, las olas de los dos ríos se mueven al mismo tiempo. Los picos de onda coinciden con los picos de onda y las ondas se amplifican, en lugar de atenuar, mutuamente. Este truco sin embargo, no solo funciona con la luz en las longitudes de onda de resonancia, pero también tiene el efecto inverso (es decir, atenuación) en un rango más amplio de longitudes de onda alrededor de la longitud de onda de resonancia. Kilian Heeg lo expresa así. "Exprimimos la radiación de rayos X que de otro modo no se utilizaría en la resonancia".

Para permitir a los físicos mover la lámina de hierro con la suficiente rapidez y precisión, está montado sobre un cristal piezoeléctrico. Este cristal se expande o contrae en respuesta a un voltaje eléctrico aplicado. Usando un programa de computadora especialmente desarrollado, los investigadores de Heidelberg pudieron ajustar la señal eléctrica que controla el cristal piezoeléctrico para maximizar la amplificación de la señal de resonancia.

Aplicaciones en medición de longitud y relojes atómicos

Los investigadores ven una amplia gama de aplicaciones potenciales para su nueva técnica. Según Thomas Pfeifer, el procedimiento ampliará la utilidad de nuevas fuentes de rayos X de alta potencia para la espectroscopia de rayos X de alta resolución. Esto permitirá un modelado más preciso de lo que sucede en átomos y moléculas. Pfeifer también destaca la utilidad de la técnica en metrología, en particular para mediciones de alta precisión de longitudes y la definición mecánica cuántica del tiempo. "Con radiografías, es posible medir longitudes 10, 000 veces más precisa que con luz visible, ", explica Pfeifer. Esto se puede utilizar para estudiar y optimizar nanoestructuras como chips de computadora y baterías de nuevo desarrollo. Pfeifer también prevé relojes atómicos de rayos X que son mucho más precisos que incluso los relojes atómicos ópticos más avanzados de la actualidad basados ​​en luz visible.

No menos importante, Una mejor espectroscopia de rayos X podría permitirnos responder una de las grandes preguntas sin respuesta de la física:si las constantes físicas son realmente constantes o si cambian lentamente con el tiempo. Si esto último fuera cierto, las líneas de resonancia se desplazarían lentamente con el tiempo. Los espectros de rayos X extremadamente nítidos permitirían determinar si este es el caso en un período relativamente corto.

Evers reconoce que una vez maduro, la técnica sería relativamente fácil de integrar en experimentos en DESY y ESRF. "Debería ser posible fabricar un dispositivo del tamaño de una caja de zapatos que pudiera instalarse rápidamente y, según nuestros cálculos, podría permitir una amplificación de aproximadamente 10 veces, " él añade.