Generación y caracterización de armónicos de ventana de agua. Pulsos de longitud de onda de 1,8 mm, 12-fs de duración, y la energía de 550 mJ se concentran en una aguja de 820 mm de diámetro exterior llena de presiones de gas de atmósfera múltiple, con un tamaño de mancha de 40 mm FWHM (A) y buena calidad espacio-temporal (B). El bombeo diferencial mantiene la presión de la cámara por debajo de 10-2 mbar. Los armónicos pasan a través de ópticas de diagnóstico opcionales:un espejo anular de 45 ° (C) para reflejar los pulsos de infrarrojos para el análisis o una rendija móvil (D) para seleccionar una porción de los armónicos para la medición de fase espacial. Luego, los armónicos pasan a través de filtros metálicos y una rendija del espectrómetro antes de ser detectados con una cámara de dispositivo acoplado por carga de rayos X (CCD) de rejilla de campo plano y conteo de fotones. VLS, espaciado de línea variable. Crédito: Avances de la ciencia (2018). Advances.sciencemag.org/content/4/5/eaar3761
Estudiar las acciones fugaces de los electrones en materiales orgánicos ahora será mucho más fácil, gracias a un nuevo método para generar rayos X rápidos.
La técnica significa que ahora será posible realizar mediciones avanzadas de reacciones rápidas en laboratorios de física de todo el mundo. sin tener que esperar para utilizar equipos costosos y escasos. Podría ser usado, por ejemplo, para estudiar y mejorar tecnologías de captación de luz como paneles solares y separadores de agua.
Cuando los rayos X 'suaves', más allá del rango de la luz ultravioleta, golpear un objeto, son fuertemente absorbidos por algunos tipos de átomos y no por otros. En particular, el agua es transparente a estos rayos X, pero el carbono los absorbe, haciéndolos útiles para obtener imágenes de materiales orgánicos y biológicos.
Sin embargo, un desafío ha sido generar rayos X suaves muy rápidos. La creación de pulsos de rayos X que solo duran una milésima de millonésima de millonésima de segundo permitiría a los investigadores obtener imágenes de los movimientos extremadamente rápidos de los electrones. crucial para determinar cómo se desplazan las cargas y se producen las reacciones.
Se han creado rayos X rápidos y suaves con grandes instalaciones, como láseres de electrones libres que cuestan miles de millones de dólares, pero ahora un equipo de investigación del Imperial College de Londres ha generado pulsos de rayos X suaves rápidos y potentes utilizando láseres de laboratorio estándar. El método, que puede producir pulsos de rayos X suaves y brillantes que duran cientos de attosegundos (quintillonésimas de segundo), se publica hoy en Avances de la ciencia .
Con la nueva técnica, los investigadores podrán observar el movimiento de los electrones en su escala de tiempo natural, dándoles una imagen dinámica de los pasos de reacción más pequeños y rápidos.
El autor principal, el profesor Jon Marangos, del Departamento de Física de Imperial, dijo:"El punto fuerte de esta técnica es que puede ser utilizada por muchos laboratorios de física de todo el mundo con láseres que ya tienen instalados.
"Este descubrimiento nos permitirá realizar mediciones en escalas de tiempo extremas por primera vez. Estamos en las fronteras de lo que podemos medir, viendo procesos más rápidos que nunca importantes para la ciencia y la tecnología ".
La generación de rayos X en un laboratorio requiere excitar átomos hasta que liberan fotones, partículas de luz. Normalmente, átomos en una larga, Las nubes dispersas se excitan en secuencia para que emitan fotones en 'fase', lo que significa que se suman y crean un pulso de rayos X más fuerte. Esto se conoce como coincidencia de fases.
Pero al intentar generar rayos X suaves de esta manera, los efectos en la nube de átomos desenfocan fuertemente el láser, interrumpir el emparejamiento de fases.
En lugar de, el equipo descubrió que necesitaban una delgada, densa nube de átomos y cortos pulsos de láser. Con esta configuración, mientras que los fotones no pueden permanecer en fase a una larga distancia, todavía estaban en fase en una distancia más corta y por un corto tiempo. Esto condujo a una producción inesperadamente eficiente de pulsos cortos de rayos X suaves.
El equipo midió y simuló además los efectos exactos que causan una alta generación de armónicos en esta situación, y a partir de esto fueron capaces de predecir las condiciones óptimas del láser para crear una gama de rayos X.
Investigador principal Allan Johnson, del Departamento de Física de Imperial, dijo:"Nos las arreglamos para mirar dentro de lo que era antes de la relativamente caja negra de la generación de rayos X suaves, y use esa información para construir un láser de rayos X en una mesa que pueda competir con las instalaciones que abarcan campos de fútbol. El conocimiento es literalmente poder en este juego ".
El equipo de Imperial planea utilizar la técnica para estudiar materiales poliméricos orgánicos, en particular los que recogen los rayos del sol para producir energía o para dividir el agua. Estos materiales están bajo un intenso estudio, ya que pueden proporcionar energía renovable más barata.
Sin embargo, muchos materiales utilizados actualmente son inestables o ineficientes, debido a la acción de los electrones que son excitados por la luz. Un estudio más detenido de las interacciones rápidas de estos electrones podría proporcionar información valiosa sobre los métodos para mejorar las células solares y los catalizadores.
