Crean el láser de rayos X más potente del mundo, 10.000 veces más brillante que su predecesor

Un láser de rayos X, que produce hasta un millón de pulsos por segundo y es 10.000 veces más brillante que su predecesor, transforma la capacidad de los científicos para explorar fenómenos ultrarrápidos a escala atómica que son claves para una amplia gama de aplicaciones, desde materiales cuánticos hasta tecnologías de energía limpia y medicina.

El Laboratorio Nacional de Aceleradores de Estados Unidos (SLAC), administrado por la Universidad de Stanford, ha producido con éxito el láser de rayos X más potente del mundo, que abrirá una nueva era en diversos campos de la investigación científica de vanguardia, según se informa en un comunicado.

El SLAC dispone de un acelerador de electrones de más de 3 kilómetros de largo que genera rayos X, láseres y haces de electrones tremendamente útiles para experimentos innovadores. Ha impulsado electrones a energías de hasta 50 gigaelectronvoltios (GeV).

Uno de los desarrollos más significativos del SLAC es el Láser de Electrones Libres e Rayos X (XFEL) de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), que ha sido el protagonista del rayo láser X más potente del mundo.

Lo ha conseguido después de una reciente actualización, denominada LCLS-II, que le ha permitido crear capacidades incomparables y marcar el comienzo de una nueva era en la investigación con rayos X.

Nuevo nivel de la ciencia de los rayos X

Los láser de electrones libres de rayos X producen pulsos de luz de rayos X ultrabrillantes y ultracortos que permiten a los científicos capturar el comportamiento de moléculas, átomos y electrones con un detalle sin precedentes en las escalas de tiempo naturales en las que se producen los cambios en la química, la biología y los materiales.

Los XFEL han sido fundamentales para muchos logros científicos, incluida la creación de la primera "película molecular" para estudiar procesos químicos complejos, observar en tiempo real la forma en que las plantas y las algas absorben la luz solar para producir todo el oxígeno que respiramos, y para estudiar las condiciones extremas que impulsan la evolución de los planetas y fenómenos como la lluvia de diamantes.

Carrera meteórica

LCLS, el primer XFEL duro del mundo, produjo su primera luz en abril de 2009, generando pulsos de rayos X mil millones de veces más brillantes que cualquier cosa anterior. Acelera electrones a través de un tubo de cobre a temperatura ambiente, lo que limita su velocidad a 120 pulsos de rayos X por segundo.

Su reciente actualización (LCLS-II) ha llevado a la ciencia de los rayos X a un nivel completamente nuevo: puede producir hasta un millón de pulsos de rayos X por segundo, 8.000 veces más que la versión anterior (LCLS), y producir un haz de rayos X casi continuo que, en promedio, será 10.000 veces más brillante que su predecesor: un récord mundial para las fuentes de luz de rayos X más potentes de la actualidad.

Acelerador superconductor

Este logro es la culminación de un extenso esfuerzo de colaboración, con contribuciones vitales de investigadores de todo el mundo. Múltiples instituciones, incluidos cinco laboratorios estadounidenses y una universidad, han contribuido a la realización del proyecto, testimonio de su importancia nacional e internacional.

Un elemento central de las capacidades mejoradas de LCLS-II es su revolucionario acelerador superconductor. Consta de 37 módulos criogénicos que se enfrían a -271,111 grados celsius (más frío que el espacio exterior), una temperatura a la que puede impulsar electrones a altas energías con una pérdida de energía casi nula.

Componentes de vanguardia

El acelerador superconductor funciona en paralelo con el de cobre existente, lo que permite a los investigadores realizar observaciones en un rango de energía más amplio, capturar instantáneas detalladas de procesos rápidos, sondear muestras delicadas que están fuera del alcance de otras fuentes de luz y recopilar más datos en menos tiempo, aumentando así considerablemente el número de experimentos que se pueden realizar en las instalaciones.

Además de un nuevo acelerador, LCLS-II requirió muchos otros componentes de vanguardia, incluida una nueva fuente de electrones, dos potentes crioplantas que producen refrigerante para las estructuras de niobio en los criomódulos, y dos nuevos onduladores para generar rayos X a partir del electrón, así como importantes avances en la tecnología láser, procesamiento de datos ultrarrápido y sensores y detectores avanzados.

Revolución científica

Los científicos se han estado preparando durante años para utilizar LCLS-II en un amplio programa de investigación que abordará desafíos hasta ahora  estaban fuera de su alcance, asegura el SLAC.

Por ejemplo, los científicos podrán estudiar las interacciones en materiales cuánticos en sus escalas de tiempo naturales, lo cual es clave para comprender sus propiedades inusuales y a menudo contraintuitivas.

Usarán esas interacciones para construir dispositivos energéticamente eficientes, computadoras cuánticas, procesamiento de datos ultrarrápido, y otras tecnologías futuras.

Reacciones químicas y biológicas

Al capturar instantáneas a escala atómica de reacciones químicas en la escala de tiempo de attosegundos (la escala a la que se mueven los electrones), LCLS-II también proporcionará información sin precedentes sobre reacciones químicas y biológicas, lo que conducirá a procesos más eficientes y efectivos en industrias que van desde la energía renovable hasta la producción de fertilizantes y la mitigación de gases de efecto invernadero.

Los pulsos de rayos X generados por LCLS-II permitirán asimismo a los científicos rastrear el flujo de energía a través de sistemas complejos en tiempo real. Esto proporcionará un nivel de detalle sin precedentes para informar el desarrollo de campos como la informática ultrarrápida, la fabricación sostenible y las comunicaciones.

Ciencia de materiales

En la intersección de la física, la química y la ingeniería, la ciencia de los materiales también se beneficiará sustancialmente de las nuevas capacidades de LCLS-II.

Se prevé que el potencial mejorado del láser de rayos X para observar la estructura interna y las propiedades de los materiales a escalas atómicas y moleculares conducirá a avances en el diseño de nuevos materiales con propiedades únicas, que afectarán a una variedad de industrias, desde la electrónica hasta el almacenamiento de energía y la ingeniería aeroespacial

Mejores películas moleculares

Por último, eL CLS II tiene también la capacidad de crear películas moleculares, que permiten observar cómo funciona la naturaleza en las escalas más pequeñas: puede iluminar estos fenómenos, revolucionando nuestra comprensión de la vida en su nivel más básico.

Desde la intrincada danza de las proteínas hasta la maquinaria de la fotosíntesis, LCLS-II arrojará luz sobre los sistemas biológicos con un detalle nunca visto, concluye el SLAC.