La idea de un científico español para amplificar rayos X láser se hace realidad

Carles Serrat, investigador del Grupo de Dinámica no Lineal, Óptica no Lineal y Láseres  (DONLL) en el campus de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) en Terrassa, encontró hace unos meses la manera de amplificar la intensidad de luz láser de rayos X de alta intensidad con la tecnología de generación de armónicos de alta frecuencia (HHG, siglas en inglés de High Harmonic Generation). Hace más de dos décadas que la comunidad científica internacional busca la manera de conseguirlo.

Su trabajo teórico, publicado en la revista Physical Review Letters, abría una primera puerta a que cualquier laboratorio hospitalario, universitario o centro de investigación pudiera disponer a medio plazo de las propiedades de los rayos X láser de alta intensidad para realizar todo tipo de experimentos. Actualmente, los científicos han de utilizar los aceleradores lineales de partículas y los sincrotrones para disponer de luz láser de rayos X de alta intensidad, grandes infraestructuras que no están al alcance de todos.

Se trata de un paso importante en la generación de pulsos de rayos X de alta energía en láseres compactos

Recientemente, un grupo internacional de investigación coordinado por el profesor C. Spielmann del Helmholtz Institute Jena (Alemania) ha realizado un experimento que ha demostrado, por primera vez en el mundo, la amplificación paramétrica de pulsos de rayos X de duración de attosegundos. Las medidas experimentales demuestran que la amplificación se produce sólo si los pulsos de rayos X están perfectamente sincronizados con el pulso infrarrojo ultraintenso. Los resultados se publican en la revista Scientific Reports, del grupo Nature.

Esto demuestra la predicción de Serrat y, según los autores, supone un paso muy importante para la generación de pulsos de rayos X de alta energía generados en láseres compactos. Esta tecnología sería accesible para cualquier laboratorio de la mayoría de centros de investigación y de las universidades y que ahorraría los recursos que ahora se utilizan para acceder a los sincrotrones.

El método HHD de generación de luz láser

Los aceleradores lineales de partículas y los sincrotrones son grandes infraestructuras a las que los científicos recurren para experimentar sobre rayos X láser con la intensidad necesaria para sus investigaciones. La luz láser es una luz ordenada que se puede controlar, por eso se le llama luz coherente, con muchas aplicaciones. La longitud de onda de la luz láser de rayos X permite, por ejemplo, interactuar con todo tipo de material nanométrico, como por ejemplo material biológico, y observar y controlar la evolución de los electrones en átomos y moléculas.

Hace más de dos décadas, sin embargo, que la comunidad científica internacional investiga las posibilidades que ofrece otro método de generación de rayos X de luz láser, el llamado High Harmonic Generation (HHG). Esta tecnología consiste en hacer interactuar pulsos muy cortos y muy intensos de luz láser infrarroja con gases. Con el método HHG se pueden generar pulsos de luz ultravioleta y rayos X a cualquier laboratorio, pero no con la intensidad que exigen la mayoría de experimentos.

«Ahora sólo falta que algún equipo se anime a desarrollar un primer prototipo», dice Serrat

El investigador Carles Serrat ha estudiado, durante cerca de cinco años, las posibilidades de amplificación de la luz láser de rayos X con tecnología HHG, hasta que ha encontrado el sistema para resolver un problema que físicos de todo el mundo intentan solucionar desde hace 20 años. «La amplificación de la energía para cada pulso de luz láser que se consigue con el método que he formulado no se había obtenido hasta ahora y es suficiente para la mayoría de aplicaciones», explica Serrat.

El investigador de la UPC ha descubierto que si los pulsos se combinan de la manera adecuada, «la radiación débil de alta frecuencia se amplifica gracias a la energía que la luz infrarroja transfiere a los electrones del gas. A partir de este efecto propone un nuevo método para la generación de luz ultravioleta y rayos X, con tecnología HHG de una intensidad para cada pulso suficiente para experimentos de microscopía, espectroscopia y control cuántico en laboratorios de tamaño estándar.

«Ahora, sólo hace falta que algún grupo de investigación o un centro de innovación tecnológica se anime a desarrollar un primer prototipo», concluye Serrat, que con su propuesta abre la puerta a que hospitales y cualquier centro de investigación puedan disponer a sus instalaciones de tecnología para generar luz láser de rayos X pulsada de alta intensidad, sin necesidad de pasar por costosos aceleradores lineales de partículas o los sincrotrones.

Referencia bibliográfica:

 J. Seres, E. Seres, B. Landgraf, B. Ecker, B. Aurand, A. Hoffmann, G. Winkler, S. Namba, T. Kuehl & C. Spielmann.Parametric amplification of attosecond pulse trains at 11 nm. Scientific Reports, 2014.

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