Disposición esquemática del experimento. Los investigadores envían un pulso de rayos X desde LCLS a través de un chorro de líquido, donde crea átomos excitados que emiten un pulso de radiación de un color distinto que se mueve en la misma dirección. Este pulso se refleja a través de una serie de espejos dispuestos en un bucle cruzado. El tamaño de este bucle se establece cuidadosamente para que el pulso llegue al chorro de líquido al mismo tiempo que un segundo pulso de rayos X de LCLS. Esto produce un pulso láser aún más brillante, que luego toma el mismo bucle. El proceso se repite varias veces, y con cada bucle, el pulso láser se intensifica y se vuelve más coherente. Durante el último bucle, uno de los espejos se cambia rápidamente permitiendo que este pulso láser salga. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Desde 1960, cuando Theodore Maiman construyó el primer láser infrarrojo del mundo, Los físicos soñaban con producir pulsos de láser de rayos X capaces de sondear las escalas ultracortas y ultrarrápidas de átomos y moléculas.
Este sueño finalmente se hizo realidad en 2009, cuando el primer láser de electrones libres de rayos X duros (XFEL), la fuente de luz coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía, produjo su primera luz. Una limitación de LCLS y otros XFEL en su modo normal de funcionamiento es que cada pulso tiene una distribución de longitud de onda ligeramente diferente, y puede haber variabilidad en la duración y la intensidad del pulso. Existen varios métodos para abordar esta limitación, incluyendo 'sembrar' el láser en una longitud de onda particular, pero estos aún no alcanzan la pureza de longitud de onda de los láseres convencionales.
Ahora, Los investigadores de SLAC están desarrollando un dispositivo compacto que podría crear pulsos de rayos X de mayor calidad en LCLS con un enfoque inspirado en láseres ópticos. El nuevo instrumento podría ampliar el alcance de los láseres de rayos X, abriendo nuevas vías experimentales en áreas como la biología, química, ciencia de materiales y física. Sus recientes hallazgos fueron publicados la semana pasada en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
"A medida que la ciencia de los rayos X continúa avanzando durante las próximas décadas, tenemos que empezar a pensar en mejores tecnologías, "dice el coautor Claudio Pellegrini, un distinguido profesor emérito de física en UCLA y profesor adjunto en SLAC cuyo trabajo sentó las bases científicas para el desarrollo de LCLS. "La calidad actual de nuestros pulsos de rayos X podría funcionar por ahora, pero para seguir avanzando en el campo tenemos que imaginar continuamente nuevas y mejores formas de crear mejores pulsos de rayos X ".
En el lazo
En el corazón de casi todos los láser ópticos se encuentra un oscilador, que lleva a los fotones a través de una serie de reflejos especulares que rodean lo que se conoce como medio de ganancia, un material utilizado para amplificar la luz, produciendo un haz cada vez más intenso en cada bucle. Finalmente, un monocromático, o un solo color, Se libera un rayo láser totalmente coherente. El objetivo es diseñar un oscilador láser que funcione con rayos X, un desafío de larga data en el campo del láser.
En este dispositivo propuesto, los investigadores comienzan enviando un pulso de rayos X inicial desde LCLS a lo largo de la línea de luz. Este pulso pasa a través de un chorro de líquido, donde crea átomos excitados que producen una pequeña cantidad de radiación emitida en un color distinto que se mueve en la misma dirección. Este pulso láser se refleja a través de una serie de espejos dispuestos en un bucle. Después de completar el ciclo, el pulso se une con un segundo pulso de rayos X de LCLS produciendo un pulso láser aún más brillante, que luego toma el mismo bucle. El proceso se repite varias veces, y con cada bucle, el pulso láser se intensifica y se vuelve más coherente. Durante el último bucle, uno de los espejos se cambia rápidamente permitiendo que este pulso láser salga.
"El resultado será un pulso de láser de rayos X totalmente coherente, más brillante y más limpio que el creado con un XFEL solo, "dice el autor principal e investigador asociado de SLAC, Alex Halavanau.
Pequeño pero poderoso
El proyecto es parte de un esfuerzo de tres años que recientemente recibió fondos del DOE. A medida que el equipo continúa desarrollando el dispositivo, comenzarán a probarlo en LCLS en la próxima ejecución experimental.
"El objetivo es construir un instrumento compacto en LCLS que proporcione pulsos de láser de rayos X de la más alta calidad para sondear materia a nivel de átomos y moléculas con una precisión sin precedentes, "dice el coautor Uwe Bergmann, un científico distinguido del personal de SLAC.
"Hay otros dos proyectos en curso en LCLS, XFELO y RAFEL, que tienen como objetivo proporcionar pulsos láser de rayos X de precisión con un oscilador, "Pellegrini agrega, en referencia a proyectos que están en desarrollo en colaboración con el Laboratorio Nacional Argonne del DOE y socios industriales a través de la financiación del DOE. "Nuestro dispositivo compacto complementará estos instrumentos mucho más grandes y sus propiedades. Esta investigación brindará oportunidades interesantes en LCLS para las próximas décadas".
