Uno de los últimos obstáculos que dificulta la fotografía y filmación de procesos que ocurren en una escala de attosegundos, es decir, mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, ha desaparecido. La clave para su eliminación radica en la naturaleza aleatoria de los procesos responsables de la formación de pulsos de láser de rayos X.

En la actualidad, solo existen unos pocos láseres de rayos X en el mundo. Estos sofisticados dispositivos se pueden utilizar para registrar incluso procesos extremadamente rápidos, como los cambios en los estados de los electrones de los átomos. Los pulsos generados por los láseres de rayos X modernos ya son lo suficientemente cortos como para poder considerar la posibilidad de tomar fotografías o incluso atofilms. Sin embargo, lo que seguía siendo un problema era la propia óptica de rayos X. Cuando un pulso de rayos X ultracorto sale del láser en el que se creó, se puede extender en el tiempo más de una docena de veces.

Un grupo internacional de físicos bajo la supervisión del Dr. Jakub Szlachetko y la Dra. Joanna Czapla-Masztafiak del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia y el Dr. Yves Kayser del Physikalisch-Technische Bundesanstalt en Berlín ha demostrado en Comunicaciones de la naturaleza que la óptica de rayos X ya no debería ser un obstáculo. La publicación es el resultado de una investigación realizada en el láser de rayos X de Linac Coherent Light Source (LCLS) en el SLAC National Accelerator Laboratory en Menlo Park. California.

"La mejor manera de deshacerse de los problemas con la óptica de rayos X era ... deshacerse de la óptica de rayos X, ", se ríe el Dr. Szlachetko." En lugar de resolver el problema, encontramos una manera de evitarlo. Es interesante que reemplazamos la óptica ... por casualidad. ¡Literalmente! Hemos demostrado que se pueden obtener parámetros mucho mejores que los pulsos de láser de rayos X actuales mediante el uso hábil de procesos de naturaleza estocástica ".

No es el primer caso en la historia de los láseres de rayos X en el que la física misma acude en ayuda de los diseñadores. En láseres clásicos, el elemento clave es el resonador óptico. Este es un sistema de espejos que solo fortalece fotones de cierta longitud de onda, moviéndose en una determinada dirección. Los láseres de rayos X se consideraron durante mucho tiempo imposibles de construir debido a la falta de espejos capaces de reflejar los rayos X. Este obstáculo fue eliminado cuando se notó que el resonador podría ser reemplazado ... solo con física relativista. Cuando un electrón acelerado a una velocidad cercana a la velocidad de la luz pasa a lo largo de un sistema de muchos imanes orientados alternativamente, no se mueve en línea recta, pero se mueve a su alrededor, perdiendo energía al mismo tiempo. Los efectos relativistas obligan al electrón a emitir fotones de alta energía no en una dirección aleatoria, pero a lo largo del curso original del haz de electrones (de ahí el nombre:Láser de electrones libres — FEL).

Las grandes esperanzas asociadas con los láseres de rayos X se deben al hecho de que pueden usarse para registrar reacciones químicas. Cada pulso de láser puede proporcionar información sobre el estado actual de los electrones del sistema que se está observando (átomo o molécula). Al mismo tiempo, la energía del pulso es tan alta que inmediatamente después de grabar la imagen, los objetos iluminados dejan de existir. Afortunadamente, el proceso de observación se puede repetir muchas veces. Las imágenes recopiladas durante una sesión más larga permiten a los científicos reconstruir con precisión todas las etapas de la reacción química estudiada.

"La situación se puede comparar con los intentos de fotografiar eventos del mismo tipo con una cámara flash. Cuando tomamos suficientes fotos de un número suficiente de los mismos eventos, podemos usarlos para construir una película con alta precisión que muestre lo que sucede durante un solo evento, ", explica el Dr. Czapla-Masztafiak y explica:" El problema es que los pulsos generados en los láseres de rayos X surgen en una emisión estimulada espontánea que se autorrefuerza y ​​no se pueden controlar por completo ".

La naturaleza espontánea de los pulsos significa que en los láseres de rayos X los parámetros de los pulsos posteriores no son exactamente los mismos. Los pulsos aparecen una vez antes, una vez más tarde, también difieren ligeramente en la energía de los fotones y su número. En la analogía presentada, esto correspondería a una situación en la que las fotos posteriores se toman con diferentes unidades de flash, además, activado en momentos aleatorios.

La inevitable aleatoriedad de los pulsos de rayos X obligó a los físicos a montar equipos de diagnóstico óptico adicionales en láseres FEL. Como resultado, incluso si el láser generó un pulso original de attosegundos de duración, se extendió mediante óptica de rayos X a femtosegundos. Ahora resulta que para registrar los estados electrónicos de átomos o moléculas de una manera que permita la reconstrucción de reacciones químicas, no se necesitan impulsos con parámetros controlados con precisión.

"La eliminación de la óptica de rayos X también nos permitió usar pulsos de energía extremadamente alta para estudiar efectos no lineales. Esto significa que los átomos comienzan a ser transparentes a los rayos X en algún momento, que a su vez se asocia con un aumento de la absorción en un rango diferente de radiación, "explica el Dr. Szlachetko.

El nuevo método se introducirá en cooperación con IFJ PAN en experimentos llevados a cabo utilizando los dos láseres de rayos X actuales:European XFEL cerca de Hamburgo (Alemania) y SwissFEL en Villigen (Suiza). El trabajo relacionado con la prueba de la nueva técnica en el contexto de experimentos químicos se llevó a cabo en estrecha colaboración con el Dr. Jacinto Sa del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia y la Universidad de Uppsala.

En el contexto de la técnica propuesta, Cabe destacar que en el caso de la óptica clásica existen algunas limitaciones puramente físicas relacionadas con la resolución de los instrumentos ópticos, por ejemplo, el famoso límite de difracción. No hay limitaciones físicas en el nuevo método, porque no hay óptica. Entonces, si los láseres de rayos X aparecen con pulsos aún más cortos que los generados actualmente, la nueva técnica se puede utilizar con éxito con ellos.