Nueva vía para generar rayos X de alta energía con láseres convencionales

El director del Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca, Luis Roso, y uno de sus investigadores, José Antonio Pérez-Hernández, exponen en la revista Physical Review Letters una vía diferente, aunque complementaria a otras existentes, para generar rayos X coherentes mediante la generación de armónicos.

Se trata de un trabajo teórico que supone la base para una futura aplicación tecnológica con la que crear fuentes compactas de radiación coherente, muy útiles en biología. Se dice que los rayos de luz son coherentes cuando viajan en forma paralela.

Cuando un pulso láser interacciona con un átomo, ‘arranca’ parte de sus electrones y los arrastra en un corto espacio de tiempo. Estos adquieren entonces energía al acoplarse con el campo del láser.

Por ello, al recombinarse de nuevo con el átomo emiten la energía adquirida en forma de radiación electromagnética –fotones–. Al repetirse este proceso dos veces en cada período de oscilación del láser (2’6 femtosegundos) se emiten nuevas frecuencias diferentes a la que tenía el pulso inicial. Así se generan los armónicos.

Hasta ahora se creía que estos electrones recombinados sólo podían emitir energía hasta un límite bien determinado por el promedio de la adquirida en el acoplamiento con el láser. Ese límite indicaba lo lejos que se podía llegar en el ultravioleta de vacío o en los rayos X ‘blandos’.

Ahora, lo que demuestra este trabajo es que modificando adecuadamente el pulso inicial antes de la interacción, es posible que los electrones se recombinen de una manera mucho más eficiente, es decir, que la energía de los fotones generados sea muy superior –tres o cuatro veces más– a la que se obtendría mediante un pulso ordinario, pudiendo alcanzar energías mayores al kiloelectronvoltio.

Todo esto permite generar rayos X coherentes mediantes los láseres ‘convencionales’, que son los que emiten pulsos en el infrarrojo con una longitud de onda de 800 namómetros. A esta longitud de onda es a la que operan la mayoría de los sistemas láser titanio-zafiro, sistemas que poseen las instalaciones del CLPU.

Una ingeniería de pulsos 

Aunque hacer esta especie de ‘ingeniería de pulsos’ aún es un reto para la física de pulsos ultracortos, ya se han conseguido los primeros resultados experimentales al hacer incidir el haz sobre nanoestructuras o confinando el pulso láser en fibras huecas metálicas con un radio interior muy pequeño, de unos 100 nanómetros.

Otra consecuencia que se deriva de esta investigación es la posibilidad de sintetizar pulsos muy cortos, del orden de decenas attosegundos –10-18 s, la cantidad de tiempo más pequeña que se maneja–, haciendo un filtrado adecuado del espectro de radiación.

Estos pulsos extremadamente cortos en el tiempo tienen gran importancia ya que su duración es del orden del período de oscilación de los electrones en los átomos y en las moléculas. Esto permitiría ‘visualizar’ la estructura de estas partículas, así como la dinámica de algunas reacciones químicas.

El artículo se ha publicado en colaboración con científicos procedentes de otros tres centros de investigación: Marcelo Ciappina de la Universidad de Auburn (Alabama, EEUU), Maciej Lewenstein del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona  y Amelle Zaïr del Imperial College de Londres (Reino Unido).

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