Los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía han descubierto una manera de triplicar la cantidad de energía generada por el láser de rayos X más poderoso del mundo. La nueva técnica, desarrollado en la fuente de luz coherente Linac de SLAC (LCLS), permitirá a los investigadores observar la estructura atómica de moléculas y procesos químicos ultrarrápidos que antes eran indetectables a escala atómica.

Los resultados, publicado en un estudio del 3 de enero en Cartas de revisión física ( PRL ), ayudará a abordar misterios de larga data sobre la fotosíntesis y otros procesos químicos fundamentales en biología, ciencia de la medicina y los materiales, según los investigadores.

"LCLS produce los pulsos de rayos X más potentes del mundo, que los científicos utilizan para crear películas de átomos y moléculas en acción, "dijo Marc Guetg, investigador asociado en SLAC y autor principal del estudio PRL. "Nuestra nueva técnica triplica la potencia de estos pulsos cortos, permitiendo un mayor contraste ".

Movimientos magnéticos

Los pulsos de rayos X en LCLS se generan alimentando haces de electrones de alta energía a través de una larga serie de imanes. Los electrones que viajan cerca de la velocidad de la luz, se mueven hacia adelante y hacia atrás a medida que pasan a lo largo de los imanes. Este movimiento de meneo hace que los electrones emitan potentes pulsos de rayos X que se pueden utilizar para obtener imágenes a nanoescala.

"Cuando imaginas una estructura atómica, tienes una carrera en marcha, "dijo el coautor del estudio, Uwe Bergmann, un científico distinguido del personal de SLAC. "Necesita un pulso de rayos X lo suficientemente fuerte para obtener una buena imagen, pero ese pulso destruirá la estructura misma que está tratando de medir. Sin embargo, si el pulso es lo suficientemente corto, unos 10 femtosegundos, puedes superar el daño. Puede tomar la instantánea antes de que el paciente sienta el dolor ".

Un femtosegundo es una millonésima de mil millonésima de segundo. La generación de pulsos de rayos X de alta potencia que duran solo 10 femtosegundos ha sido un gran desafío.

"El truco es tener los electrones empaquetados lo más apretados posible cuando comienzan a moverse, "Explicó Guetg." Es difícil de hacer, porque los electrones no se gustan entre sí. Todos están cargados negativamente para que se repelen unos a otros. Es una batalla. Estamos constantemente tratando de obligarlos a que se unan, y están constantemente tratando de separarse ".

Para ganar la batalla Guetg y sus colegas de SLAC utilizaron una combinación especial de imanes diseñados para acercar los electrones antes de que comiencen a emitir rayos X.

"Un problema cuando se comprimen electrones es que comienzan a golpearse entre sí, "Dijo Guetg." Como resultado, el haz de electrones se inclina, lo que perjudica la producción de luz y por tanto la potencia de los pulsos de rayos X ".

En estudios anteriores, Guetg había teorizado que corregir la inclinación comprimiría los electrones y produciría más cortos, ráfagas de rayos X más potentes.

"El haz de electrones tiene la forma de un plátano, "dijo el coautor Zhirong Huang, profesor asociado en SLAC y en la Universidad de Stanford. "Corregimos la curvatura del plátano para que quede recto, haz parecido a un lápiz ".

Resultados dramáticos

Los resultados fueron dramáticos. Enderezar el haz aumentó la potencia de los pulsos de rayos X en un 300 por ciento, y cada pulso duró solo 10 femtosegundos.

"De una manera ingeniosa, Marc y sus colegas pudieron comprimir estos electrones como un panqueque antes de que se separaran, ", Dijo Bergmann." Eso les permitió crear pulsos de rayos X muy cortos que son aproximadamente 1, 000 veces más potente que si concentraras toda la luz solar que incide en la Tierra en un centímetro cuadrado. Es un poder increíble ".

Bergmann ya ha utilizado la nueva técnica para crear imágenes a nanoescala de metales de transición como el manganeso, que es esencial para dividir el agua para formar moléculas de oxígeno (O2) durante la fotosíntesis.

"Al ampliar la frontera de la ciencia del láser, ahora podemos ver más y, con suerte, aprender más sobre las reacciones químicas y los procesos moleculares, " él dijo.

El equipo de SLAC espera aprovechar sus resultados en experimentos futuros.

"Queremos que la nueva técnica sea operativa y sólida para que cualquiera pueda utilizarla, "Dijo Huang." También queremos seguir mejorando la potencia con esta técnica y otras. No llamaría a esto el límite final ".