El láser de electrones libres o FEL (acrónimo de free-electron laser en inglés) es un láser que comparte las propiedades ópticas de láseres convencionales, es decir, la emisión de un haz coherente de radiación electromagnética que puede alcanzar una alta potencia, pero que se basa un principio físico totalmente diferente para generar el haz: En lugar de excitar electrones a diferentes niveles de energía atómicos o moleculares, un FEL usa un haz de electrones acelerados a velocidades relativistas como medio activo para generar el láser; estos electrones no están ligados a átomos, sino que se mueven libremente en un campo magnético, de ahí el término “electrón libre”.
Los FEL ofrecen la oportunidad de filmar los movimientos de átomos en moléculas y en reacciones químicas. Para ello, sería preciso conocer con exactitud el tiempo de llegada y el perfil temporal de los pulsos de rayos X de estos láseres de electrones libres. Un equipo internacional de científicos, en el que han participado investigadores del DIPC y de la UPV/EHU, ha desarrollado una técnica de medición capaz de suministrar esa caracterización temporal completa. Los resultados se han publicado en el último número de la revista científica Nature Photonics.
Gracias a sus ráfagas de rayos X ultracortos, los láseres de electrones libres ofrecen la oportunidad de filmar átomos en movimiento en moléculas complejas y en el curso de reacciones químicas. Pero, para poder realizar esta filmación es preciso conocer con exactitud el tiempo de llegada y el perfil temporal de los pulsos que iluminan periódicamente el sistema. Un equipo internacional de científicos ha desarrollado una técnica de medición capaz de suministrar una caracterización temporal completa de pulsos FEL (láser de electrones libres) individuales en el láser de electrones libres de rayos X blandos FLASH sito en DESY, el centro Alemán de aceleradores de partículas. El equipo investigador, dirigido por Adrian Cavalieri del CFEL (Center for Free-Electron Laser Science), ha conseguido medir el perfil temporal de cada pulso de rayos X con una precisión de femtosegundos (un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo). Han participado en el equipo de investigación, Andrey Kazansky, Profesor investigador de Ikerbasque, asociado al Donostia International Physics Center (DIPC) y a la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), y Nikolay Kabachnick, de la Universidad Estatal Lomonosov en Moscú, quien es asimismo un visitante regular del DIPC. La técnica desarrollada durante esta investigación puede implementarse en cualquiera de los láseres de electrones libres de rayos X del mundo, lo que posibilita, en última instancia, un empleo más eficiente de estas fuentes láser. Los resultados se han publicado en el último número de la revista científica Nature Photonics.
Los pulsos de rayos X emitidos por los láseres de electrones libres proporcionan oportunidades de investigación únicas, ya que los pulsos, además de ultra-intensos, son ultracortos. Una sola ráfaga – o pulso – FEL de una duración no mayor de unas decenas de femtosegundos, o incluso menor, contiene billones de fotones de rayos X. Sin embargo, el tiempo de llegada, e incluso el perfil temporal de un pulso FEL, pueden variar drásticamente de un pulso a otro. Por ello, si se pretende emplear el FEL para «filmar» procesos dinámicos ultrarrápidos, se debe medir el tiempo de llegada de cada pulso para reordenar los fotogramas individuales capturados con cada pulso FEL individual.
Si se dispone de la información temporal exacta, los pulsos FEL de rayos X de femtosegundos son suficientemente cortos como para permitir el estudio de átomos en movimiento, reacciones químicas y transiciones de fase en materiales, con resolución temporal en la escala del femtosegundo.
Si además, simultáneamente se mide el perfil, la forma, del pulso FEL de rayos X, sería posible incluso ir más allá, y explorar procesos que evolucionan durante la exposición a los rayos X. En esas escalas de tiempo, el movimiento de electrones y la dinámica de los estados electrónicos se vuelven significativos. La dinámica electrónica puede ser responsable por ejemplo de provocar daños en biomoléculas, lo que a su vez podría provocar su destrucción antes de que éstas puedan ser captadas en una imagen nítida.
Para llevar a cabo sus mediciones, el equipo adaptó el llamado «streaking de fotoelectrones», una técnica empleada en física de attosegundos (un attosegundo es una milésima de femtosegundo, es decir, una trillonésima de segundo). Andrey Kazansky, Profesor investigador de Ikerbasque en el DIPC y la UPV/EHU, explica que «la técnica de streaking permite registrar los perfiles temporales de haces o pulsos luminosos variables, gracias a la creación de haces de fotoelectrones y posterior análisis de la distribución de energía de estos electrones». Un fotoelectrón es el electrón emitido por la materia como consecuencia de la absorción de un fotón de alta energía. En otras palabras, es un electrón que ha sido arrancado por un fotón.
Aprovechando las intensidades tan altas disponibles en los FELs, los investigadores han sido capaces de llevar a cabo medidas utilizando la técnica de streaking en la fuente FLASH de DESY (Alemania), en cada pulso. Para ello, se lanzan los rayos X del láser a través de gas de neón. Cada pulso FEL de rayos X arranca un haz de fotoelectrones del gas noble y el perfil temporal de cada haz de fotoelectrones resulta ser una réplica del pulso FEL que lo generó.
Luego, un campo electromagnético muy intenso hace que estos fotoelectrones sean acelerados o desacelerados, dependiendo del instante exacto en el que han sido emitidos. Este efecto de aceleración o desaceleración se puede medir y combinando adecuadamente toda la información disponible, se puede obtener el perfil temporal y el tiempo de llegada de cada pulsos de rayos X individual con una precisión de unos 5 femtosegundos.
«La clave de esta técnica es la medición simultánea del tiempo de llegada y el perfil del pulso, independientemente del resto de parámetros del FEL» explica Adrian Cavalieri, profesor en la Universidad de Hamburgo y líder de grupo en el Departamento de Investigación para la Dinámica de Estructuras del Instituto Max Planck. «Hasta ahora, ninguna otra medición había ofrecido una información temporal completa – y es precisamente esta información la que será decisiva para futuras aplicaciones de estas fuentes de rayos X».
La caracterización del puso FEL presentada por el equipo de investigación se realiza sin apenas afectar el haz del FEL – para crear los fotoelectrones sólo se pierde un numero insignificante de fotones. Por lo tanto, se puede aplicar en cualquier experimento en prácticamente cualquier longitud de onda. En un futuro inmediato, la técnica de streaking generada por láser va a ser utilizada en FLASH para controlar y mantener la duración del pulso FEL y estudiar una amplia variedad de sistemas atómicos, moleculares y de estado sólido. En próximos experimentos, los investigadores piensan utilizar estas medidas de alta precisión como feedback crítico para ajustar y manipular el perfil del haz de rayos X.
Referencia:
«Ultrafast X-ray pulse characterization at free-electron lasers»: I.Grguraš, A. R. Maier, C. Behrens, T. Mazza, T. J. Kelly, P. Radcliffe, S. Düsterer,A. K. Kazansky, N. M. Kabachnik, Th. Tschentscher, J. T. Costello, M. Meyer,M. C. Hoffmann, H. Schlarb and A. L. Cavalieri.
Nature Photonics (2012); DOI: 10.1038/NPHOTON.2012.276
Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa