El láser de rayos X más poderoso del mundo está listo y empezará a operar en setiembre

Reflejo de la radiación de sincrotón de un cristal de terbio. 
Daresbury Synchrotron Radiation Source, 1990

El láser de electrones libres (European XFEL) de Europa ha generado su primer rayo de radiación X coherente, la fuente más brillante de rayos X, superando en diez mil veces la luminosidad que se obtiene con los sincrotones. E-XFEL empezará a funcionar de manera oficial en septiembre, y su mayor objetivo será el estudio de las estructuras atómicas y moleculares de la materia (incluida la biológica). La noticia fue compartida en una nota de prensa de la organización. 

La longitud de onda de la radiación X es cien veces menor que el espectro de la luz visible y es comparable, o incluso menor, al tamaño de los átomos. Esto permite darle un uso activo para estudiar la estructura atómica de los cristales. Son varios los tipos de fuente de radiación X. Al principio, estos rayos fueron descubiertos en tubos de rayos catódicos, un instrumento que permite extraer los electrones de los cátodos, los cuales se aceleran con los campos eléctricos y colisionan con los ánodos, causando una radiación X debido a la transición electrónica de los átomos. Estas fuentes se utilizan, por ejemplo, en los aparatos de rayos X de uso clínico. 

Sin embargo, un acelerador de partículas genera una radiación X mucho más intensa. De acuerdo a las leyes de la electrodinámica, una partícula cargada moviéndose a alta velocidad emite fotones. Si la partícula tiene una energía cinética (y velocidad) muy alta, entonces también la tendrá la energía de los fotones. Una de las fuentes más poderosas de rayos X son los sincrotones. En ellos, los electrones se mueven en círculos a velocidades cercanas a la luz en un diámetro de cientos de metros y pasan por aceleración centrípeta debido a los magnetos en rotación. La luminosidad de los sincrotones es de magnitud superior que de los tubos de rayos catódicos. 

Plano del sincrotón Soleil, ubicado cerca de París. 
Wikimedia Commons

El siguiente paso en el desarrollo de fuentes de rayos X son los láser de electrones libres. A diferencia de los sincrotones, sus instalaciones son lineales. En este caso, los electrones se aceleran en resonadores superconductores y se envían a una trayectoria ondulatoria. Esta consiste en un campo con un gran número de imanes con polaridad alternada los cuales desvían los electrones de su trayectoria inicial en cada sentido, derecha e izquierda. De este modo, en cada uno de estos giros, se liberan fotones de rayos X. 

Esquema del funcionamiento de los onduladores.
Wikimedia Commons

El número de estos imanes de polaridad alternada excede los 17 mil en las instalaciones de E-XFEL. Antes de caer en el ondulador, el electrón viaja unos 2.1 km de aceleración lineal, de un largo total de 3.4 km. Esta instalación se encuentra en Hamburgo, Alemania, bajo tierra, y es el acelerador de este tipo más grande que existe actualmente en el mundo. 

Fragmento del acelerador E-XFEL.
European XFEL / Heiner Müller-Elsner

Durante el primer lanzamiento, los científicos lograron obtener rayos láser de una longitud de 0.8 nm. La frecuencia de la generación de pulsos cortos fue de 1 Hz, es decir, un pulso por segundo. Cuando la instalación alcance su máxima capacidad, se generarán 27 mil de estos pulsos por segundo. Se espera que esto ayude a captar “videos” de cómo las moléculas cambian durante las reacciones químicas. Por ejemplo, con el E-XFEL ya se pudo filmar la explosión de clústers de xenón en escala de nanómetros, la ruptura de las moléculas de yodo y ciclohexadieno, así como el movimiento del choque de una onda sobre un diamante. 

Esquema de la instalación del E-XFEL.
Kartik Ayyer et al. / Structural Dynamics, 2015

El E-XFEL no es el primer láser de electrones libres. El primero de este tipo fue creado en 1971 en Stanford. La frecuencia de la radiación de este sistema puede variar desde los rayos X hasta los infrarrojos. Por ahora, el láser de rayos X más brillante sobre una instalación de este tipo se encuentra en el laboratorio SLAC National Accelerator Laboratory, en Stanford. La longitud de onda de su radiación está en un rango de 0.13 a 6.2 nm. 

Vladimiro Koroliev
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