Un equipo dirigido por SLAC ha inventado un método, llamado XLEAP, que genera potentes pulsos de láser de rayos X de baja energía que son solo 280 attosegundos, o mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, de largo y que puede revelar por primera vez los movimientos más rápidos de los electrones que impulsan la química. Esta ilustración muestra cómo los científicos usan una serie de imanes para transformar un grupo de electrones (forma azul a la izquierda) en la fuente de luz coherente Linac de SLAC en un pico de corriente estrecho (forma azul a la derecha), que luego produce un destello de rayos X de attosegundos muy intenso (amarillo). Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía han inventado una forma de observar los movimientos de los electrones con potentes ráfagas de láser de rayos X de solo 280 attosegundos. o mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, largo.
La tecnología, llamada generación de pulsos de attosegundos mejorada con láser de rayos X (XLEAP), es un gran avance en el que los científicos han estado trabajando durante años, y allana el camino para estudios innovadores sobre cómo los electrones que se aceleran alrededor de las moléculas inician procesos cruciales en biología, química, ciencia de materiales y más.
El equipo presentó hoy su método en un artículo en Fotónica de la naturaleza .
"Hasta ahora, pudimos observar con precisión los movimientos de los núcleos atómicos, pero los movimientos de electrones mucho más rápidos que en realidad impulsan las reacciones químicas se difuminaron, "dijo el científico de SLAC James Cryan, uno de los autores principales del artículo e investigador del Stanford PULSE Institute, un instituto conjunto de SLAC y la Universidad de Stanford. "Con este avance, podremos usar un láser de rayos X para ver cómo se mueven los electrones y cómo eso prepara el escenario para la química que sigue. Empuja las fronteras de la ciencia ultrarrápida ".
Los estudios sobre estas escalas de tiempo podrían revelar, por ejemplo, cómo la absorción de luz durante la fotosíntesis empuja casi instantáneamente a los electrones e inicia una cascada de eventos mucho más lentos que finalmente generan oxígeno.
"Con XLEAP podemos crear pulsos de rayos X con la energía adecuada que son más de un millón de veces más brillantes que los pulsos de attosegundos de energía similar antes, "dijo el científico de SLAC Agostino Marinelli, Líder del proyecto XLEAP y uno de los autores principales del artículo. "Nos permitirá hacer tantas cosas que la gente siempre ha querido hacer con un láser de rayos X, y ahora también en escalas de tiempo de attosegundos".
Un salto para la ciencia de rayos X ultrarrápida
Un attosegundo es un período de tiempo increíblemente corto:dos attosegundos equivalen a un segundo como un segundo a la edad del universo. En años recientes, Los científicos han avanzado mucho en la creación de pulsos de rayos X de attosegundos. Sin embargo, estos pulsos eran demasiado débiles o no tenían la energía adecuada para concentrarse en los rápidos movimientos de los electrones.
Durante los últimos tres años, Marinelli y sus colegas han estado descubriendo cómo un método láser de rayos X sugerido hace 14 años podría usarse para generar pulsos con las propiedades adecuadas, un esfuerzo que resultó en XLEAP.
Esquema del experimento XLEAP en el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC. LCLS envía racimos de electrones de alta energía (verde) a través de un imán ondulador, donde la energía electrónica se convierte en pulsos de rayos X extremadamente brillantes (azules) de unos pocos femtosegundos, o millonésimas de mil millonésimas de segundo. En la configuración de XLEAP, los racimos de electrones pasan dos conjuntos adicionales de imanes (ondulador y chicane) que dan forma a cada grupo de electrones en una intensa, pico estrecho que contiene electrones con una amplia gama de energías. Los picos luego producen pulsos de rayos X de attosegundos en el ondulador. El equipo de XLEAP también desarrolló un analizador de pulso personalizado (derecha) para medir las longitudes de pulso extremadamente cortas. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
En experimentos llevados a cabo justo antes de que los equipos comenzaran a trabajar en una actualización importante del láser de rayos X Linac Coherent Lightsource (LCLS) de SLAC, El equipo de XLEAP demostró que pueden producir pares de pulsos de rayos X de attosegundos cronometrados con precisión que pueden poner electrones en movimiento y luego registrar esos movimientos. Estas instantáneas se pueden unir en películas de acción.
Linda joven, un experto en ciencia de rayos X en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE y la Universidad de Chicago que no participó en el estudio, dijo, "XLEAP es realmente un gran avance. Sus pulsos de rayos X de attosegundos de intensidad y flexibilidad sin precedentes son una herramienta revolucionaria para observar y controlar el movimiento de electrones en sitios atómicos individuales en sistemas complejos".
Los láseres de rayos X como LCLS generan de forma rutinaria destellos de luz que duran unas millonésimas de mil millonésimas de segundo, o femtosegundos. El proceso comienza con la creación de un haz de electrones, que se agrupan en pequeños racimos y se envían a través de un acelerador de partículas lineal, donde obtienen energía. Viajando casi a la velocidad de la luz pasan a través de un imán conocido como ondulador, donde parte de su energía se convierte en ráfagas de rayos X.
Cuanto más cortos y brillantes sean los racimos de electrones, cuanto más breves son las ráfagas de rayos X que crean, por lo que un enfoque para hacer pulsos de rayos X de attosegundos es comprimir los electrones en grupos cada vez más pequeños con un pico de brillo alto. XLEAP es una forma inteligente de hacer precisamente eso.
Hacer pulsos de láser de rayos X de attosegundos
En LCLS, El equipo insertó dos juegos de imanes frente al ondulador que les permitió moldear cada grupo de electrones en la forma requerida:una intensa, pico estrecho que contiene electrones con una amplia gama de energías.
"Cuando enviamos estos picos, que tienen longitudes de pulso de aproximadamente un femtosegundo, a través del ondulador, producen pulsos de rayos X que son mucho más cortos que eso, "dijo Joseph Duris, un científico del personal de SLAC y coautor del artículo. Los pulsos también son extremadamente poderosos, él dijo, algunos de ellos alcanzan una potencia máxima de medio teravatio.
Para medir estos pulsos de rayos X increíblemente cortos, Los científicos diseñaron un dispositivo especial en el que los rayos X atraviesan un gas y eliminan algunos de sus electrones. creando una nube de electrones. La luz circularmente polarizada de un láser infrarrojo interactúa con la nube y da una patada a los electrones. Debido a la polarización particular de la luz, algunos de los electrones terminan moviéndose más rápido que otros.
"La técnica funciona de manera similar a otra idea implementada en LCLS, que mapea el tiempo en ángulos como los brazos de un reloj, "dijo Siqi Li, un co-primer autor de un artículo y reciente doctorado en Stanford. "Nos permite medir la distribución de las velocidades y direcciones de los electrones, ya partir de eso podemos calcular la longitud del pulso de rayos X ".
Próximo, el equipo de XLEAP optimizará aún más su método, lo que podría conducir a pulsos aún más intensos y posiblemente más cortos. También se están preparando para LCLS-II, la actualización de LCLS que disparará hasta un millón de pulsos de rayos X por segundo — 8, 000 veces más rápido que antes. Esto permitirá a los investigadores realizar experimentos con los que han soñado durante mucho tiempo, como los estudios de moléculas individuales y su comportamiento en las escalas de tiempo más rápidas de la naturaleza.
