Los físicos de ETH Zurich han desarrollado la primera fuente láser de alta tasa de repetición que produce rayos X suaves coherentes que abarcan toda la "ventana de agua". Ese avance tecnológico podría permitir una amplia gama de estudios en el campo biológico, ciencias químicas y de los materiales, así como en física.

La capacidad de generar pulsos de luz de duración inferior a un femtosegundo, demostrado por primera vez hace unos 20 años, ha dado lugar a un campo completamente nuevo:la ciencia y la tecnología de attosegundos. Han surgido sistemas láser de sobremesa que permiten estudios que antes no eran posibles, permitiendo a los investigadores seguir, Imagen y caracterización de procesos electrónicos en átomos, moléculas y sólidos en su forma natural, escalas de tiempo de attosegundos.

Los sistemas láser que hacen posibles tales estudios normalmente operan en la banda espectral ultravioleta extrema. Sin embargo, Durante mucho tiempo ha habido un impulso para lograr energías de fotones más altas. De particular interés es la llamada ventana de agua, ocupado por radiación de rayos X suave con longitudes de onda entre 2,2 y 4,4 nm. Esa ventana espectral debe su nombre y significado al hecho de que en esas frecuencias, los fotones no son absorbidos por el oxígeno (y por lo tanto por el agua), pero son por carbono. Esto es ideal para estudiar moléculas orgánicas y muestras biológicas en su entorno acuoso natural.

Hoy dia, existen un puñado de fuentes de attosegundos que abarcan este rango de frecuencia, pero su aplicabilidad está limitada por tasas de repetición relativamente bajas de 1 kHz o menos, lo que a su vez significa tasas de recuento bajas y relaciones de señal a ruido deficientes. Escribiendo en Optica , Justinas Pupeikis y sus colegas del grupo de Física de láser ultrarrápido de la profesora Ursula Keller del Instituto de Electrónica Cuántica han informado de una innovación que supera las limitaciones de las fuentes anteriores. Presentan la primera fuente de rayos X suave que abarca toda la ventana de agua a una tasa de repetición de 100 kHz, una mejora cien veces superior a las fuentes más modernas.

Un impulso en la capacidad tecnológica

El cuello de botella en la producción de rayos X suaves a altas tasas de repetición ha sido la falta de sistemas láser adecuados para impulsar el proceso clave subyacente a la generación de pulsos de attosegundos en los sistemas de sobremesa. Ese proceso se conoce como generación de altos armónicos, e implica un intenso pulso de láser de femtosegundos que interactúa con un objetivo, típicamente un gas atómico. La respuesta electrónica no lineal del objetivo provoca entonces la emisión de pulsos de attosegundos en un múltiplo de orden impar de la frecuencia del campo láser de activación. Para garantizar que la respuesta contenga fotones de rayos X que abarquen el rango de la ventana de agua, la fuente de femtosegundos tiene que funcionar en el rango del infrarrojo medio. También, tiene que entregar pulsos de alta potencia pico. Y todo eso con altas tasas de repetición. Hasta ahora no existía tal fuente.

Pupeikis y col. asumieron el desafío y mejoraron sistemáticamente un diseño que ya habían explorado en trabajos anteriores, basado en amplificación de pulso chirrido paramétrico óptico (o OPCPA para abreviar). Habían establecido antes que el enfoque es prometedor con miras a realizar fuentes de infrarrojo medio de alta potencia, pero aún se necesitaban mejoras sustanciales para alcanzar el rendimiento requerido para la generación de fotones de rayos X con altos armónicos en la ventana de agua. En particular, empujaron la potencia máxima de 6.3 GW a 14.2 GW, y alcanzaron una potencia promedio de 25 W para pulsos un poco más largos que dos oscilaciones del campo óptico subyacente (16,5 fs). La potencia máxima demostrada es la más alta registrada hasta la fecha para cualquier sistema de alta tasa de repetición con una longitud de onda superior a 2 μm (ver figura, panel a).

Listo para la sala de rayos X

Con este nivel de desempeño a su disposición, el equipo estaba listo para la siguiente etapa, conversión ascendente de frecuencia a través de la generación de altos armónicos. Para eso, el haz de salida del OPCPA se dirigió a través de un sistema de periscopio a otro laboratorio a más de 15 m de distancia, para adaptarse a las limitaciones de espacio del laboratorio local. Allí, el rayo encontró un objetivo de helio mantenido a una presión de 45 bar. Esa alta presión era necesaria para la adaptación de fases entre la radiación infrarroja y de rayos X, y por lo tanto una eficiencia de conversión de energía óptima.

Una vez que todas las piezas estuvieron en su lugar, el sistema entregado, generar una radiación de rayos X suave coherente que se extiende a una energía de 620 eV (longitud de onda de 2 nm), cubriendo la ventana de agua completa, un logro destacado en relación con otras fuentes de alta tasa de repetición en este rango de frecuencia (ver figura, panel b).

Una ventana de oportunidad

Esta demostración abre un amplio espectro de nuevas oportunidades. Imágenes coherentes en la región espectral de la ventana de agua, de gran relevancia para la química y la biología, debería ser posible con una configuración compacta. Al mismo tiempo, la alta tasa de repetición disponible aborda las limitaciones debidas a la formación de cargas espaciales que plagan los experimentos de fotoemisión con fuentes pulsadas. Es más, la ventana de agua comprende no solo los bordes K de carbono, nitrógeno y oxígeno, sino también los bordes L y M de una variedad de metales, que ahora se puede estudiar con mayor sensibilidad o especificidad.

Con perspectivas tan brillantes, la realización de la fuente anuncia el comienzo de la próxima generación de tecnología de attosegundos, en el que los investigadores pueden hacer un uso combinado de altas tasas de repetición y altas energías de fotones por primera vez. Una línea de luz de attosegundos diseñada para explotar estas nuevas capacidades se encuentra actualmente en construcción en el laboratorio de Keller.