Intensidad récord mundial en pulsos de rayos X cortos y de alta energía Destellos de rayos X que podrían batir un récord

Investigadores del European XFEL han enfocado pulsos de rayos X de attosegundos con tal intensidad que alcanzan una intensidad que podría batir récords. Este método podría allanar el camino para un estudio más detallado de los electrones en átomos y moléculas.

Unos investigadores han generado en el European XFEL destellos de rayos X que no solo eran extremadamente cortos, sino que también alcanzaron una intensidad que podría batir el récord para este tipo de pulsos. Los investigadores enfocaron la luz de rayos X hacia una superficie aproximadamente 100 000 veces más pequeña que la sección transversal de un cabello humano típico. De este modo, la luz de rayos X se concentró en un punto minúsculo, pero extremadamente intenso. Este método podría permitir realizar estudios detallados sobre el comportamiento de los electrones en átomos y moléculas y, a largo plazo, incluso permitir el control de los electrones durante las reacciones químicas.

«Se trata de un récord mundial en cuanto a intensidad y densidad de flujo para un pulso de attosegundos en el rango de los rayos X duros», afirma Ichiro Inoue, de la Universidad de Tokio, autor principal del artículo sobre los nuevos pulsos láser. La «radiación de rayos X duros» utilizada es luz con una longitud de onda especialmente corta. La densidad de flujo indica cuánta energía emite esta luz sobre una superficie determinada. La intensidad, por su parte, tiene en cuenta cuánta energía llega por unidad de tiempo. Los investigadores estiman que la duración de los pulsos utilizados en el experimento fue de 300 attosegundos. Los pulsos atravesaron un sistema formado por dos espejos de extrema precisión, conocido como óptica «Advanced Kirkpatrick-Baez» (AKB, por sus siglas en inglés). En él, cada destello de rayos X se reflejaba un total de cuatro veces: un espejo enfocaba el pulso verticalmente y el otro, horizontalmente. Esto daba lugar a un punto de enfoque de tan solo 180 × 330 nanómetros.

«Hace unos años, en el European XFEL generamos pulsos de rayos X duros de attosegundos en el rango de los teravatios», afirma Jiawei Yan, investigador de DESY y uno de los autores del estudio. «Pero la generación de pulsos potentes es solo el primer paso. Para los experimentos, lo más importante es lo que llega a la muestra. Gracias a este avance, ahora podemos utilizar pulsos de rayos X de attosegundos para estudiar interacciones fuertemente no lineales entre la luz de rayos X y la materia».

Rayos de enorme intensidad

Los investigadores comprobaron que los destellos alcanzaban una intensidad máxima de más de 10²⁰ vatios por centímetro cuadrado. Para ello, dirigieron los pulsos hacia una lámina de cobre. Los pulsos de rayos X extraían electrones de las capas internas más profundas de los átomos de cobre, dejando «huecos». Cuando otros electrones llenan estos huecos, emiten a su vez rayos X. A intensidades muy elevadas, esta luz puede excitar a otros átomos de cobre ya excitados para que emitan más rayos X en la misma dirección, lo que amplifica la señal. Este proceso se denomina emisión espontánea amplificada (ASE, por sus siglas en inglés).

«Es casi mágico observar esto», afirma Anders Madsen, jefe de grupo en la estación experimental MID, donde se llevó a cabo el estudio. «La fluorescencia normal se propaga en todas las direcciones, independientemente de la dirección del pulso incidente. Sin embargo, en cuanto se supera el umbral de ASE, se observa cómo el cono de luz comienza a condensarse en la dirección hacia delante».

Los investigadores observaron que la señal ASE aumentaba rápidamente al principio a medida que aumentaba la energía del pulso, pero que luego se estabilizaba o se saturaba a energías más altas. Este comportamiento solo cabe esperarlo con intensidades de rayos X extremadamente elevadas y, por lo tanto, proporcionó una confirmación independiente de la intensidad estimada a partir de la energía del pulso, la duración y el tamaño del foco.