Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía está desarrollando nuevos métodos para sondear los minúsculos detalles del universo a velocidades extraordinarias.
En investigaciones anteriores, los investigadores desarrollaron una forma de producir ráfagas de láser de rayos X que duran varios cientos de attosegundos (o milmillonésimas de milmillonésima de segundo). Este método, llamado generación de pulsos de attosegundos mejorada con láser de rayos X (XLEAP), permite a los científicos investigar cómo los electrones que se mueven alrededor de las moléculas impulsan procesos clave en biología, química, ciencia de materiales y más.
Ahora, dirigido por los científicos de SLAC Agostino Marinelli y James Cryan, el equipo ha desarrollado nuevas herramientas para utilizar estos pulsos de attosegundos de formas innovadoras:el primer uso de pulsos de attosegundos en experimentos con sondas de bombeo y la producción de los pulsos de rayos X de attosegundos más potentes. jamás reportado. Los experimentos, realizados en el láser de electrones libres de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC y publicados en dos artículos en Nature Photonics , podría revolucionar campos que van desde la química hasta la ciencia de los materiales al ofrecer información sobre los movimientos más rápidos dentro de los átomos y las moléculas.
En el primer desarrollo, los investigadores introdujeron un enfoque novedoso para realizar experimentos de "bomba-sonda" con pulsos de rayos X de attosegundos. Estos experimentos, destinados a medir eventos ultrarrápidos de menos de una billonésima de segundo, implican excitar átomos con un pulso de "bomba" seguido de sondearlos con un segundo pulso para observar los cambios resultantes.
Esta técnica permitió a los científicos rastrear y medir el movimiento de los electrones dentro de átomos y moléculas, un proceso crítico que influye en las reacciones químicas, las propiedades de los materiales y las funciones biológicas. Lo lograron generando pares de pulsos láser en dos colores y controlando meticulosamente el retraso entre ellos a tan solo 270 attosegundos.
"Esta capacidad abre nuevas oportunidades para estudiar la interacción de la luz con la materia en el nivel más fundamental", dijo Cryan. "Es emocionante porque ha evolucionado hasta convertirse en una herramienta práctica que nos permite ver la dinámica de los electrones que antes estaban fuera de nuestro alcance. Ahora estamos observando procesos que ocurren en escalas de tiempo cercanas al tiempo que tarda la luz en cruzar una molécula". P>
En un artículo reciente, los investigadores utilizaron esta técnica para observar electrones moviéndose en tiempo real en agua líquida. Los estudios futuros aplicarán este método a varios sistemas moleculares, refinando la precisión de estas mediciones y ampliando su aplicación en todas las disciplinas científicas.
El segundo desarrollo se concentró en generar pulsos de attosegundos de alta potencia utilizando una técnica conocida como "super-radiancia", alcanzando niveles de potencia de casi un teravatio. Este proceso implicó un efecto en cascada en un láser de rayos X de electrones libres, amplificando significativamente la potencia de los pulsos.
La mayor intensidad de estos pulsos permite a los científicos explorar estados únicos de la materia y presenciar fenómenos que ocurren en escalas de tiempo aún más cortas.
"Estos son los pulsos de rayos X de attosegundos más potentes jamás reportados. La intensidad de estos pulsos nos permite explorar regímenes completamente nuevos de la ciencia de los rayos X", dijo Marinelli. "Hemos superado los límites de la energía del pulso de rayos X, alcanzando niveles de potencia que abren nuevos ámbitos experimentales. Este resultado se logró gracias a un tipo especial de onda que mantiene su forma y velocidad a medida que se propaga a través del haz de electrones, dramáticamente potenciando la intensidad y energía de nuestras pulsaciones."
Los investigadores planean perfeccionar aún más esta tecnología para mejorar la estabilidad y el control de estos pulsos de alta potencia, con el objetivo de ampliar su aplicación en diversas áreas científicas.
Estos desarrollos amplían los límites de nuestras capacidades de observación y medición, sentando las bases para futuros avances científicos que podrían transformar nuestra comprensión del mundo natural.
La observación de átomos y electrones en movimiento facilita el diseño de nuevos materiales con propiedades adaptadas a la tecnología, la energía y otros campos. Comprender el movimiento de los electrones durante las reacciones químicas también puede facilitar los principios de diseño químico inteligente.
"Estos estudios no sólo profundizan nuestra comprensión de la física, sino que también allanan el camino para futuras innovaciones que podrían transformar nuestra comprensión de los procesos impulsados por electrones", dijo Cryan. "Cada pulso de attosegundo que generamos ofrece una nueva visión de los componentes básicos de la naturaleza, revelando dinámicas que antes estaban ocultas a la vista. Anticipamos muchos más descubrimientos interesantes en el futuro".
Más información: Zhaoheng Guo et al, Demostración experimental de espectroscopia de sonda-bomba de attosegundos con un láser de rayos X de electrones libres, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01419-w
Paris Franz et al, Pulsos de rayos X de attosegundos a escala de teravatios procedentes de un láser de electrones libres superradiantes en cascada, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01427-w
Información de la revista: Fotónica de la naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
