Logran crear un pulso aislado de attosegundo de rayos X

El Grupo de Investigación en Óptica Extrema de la Universidad de Salamanca trabaja con científicos de las universidades de Colorado en Boulder y Delaware, de Estados Unidos, y Tsing Hua, de Taiwán, para generar rayos X por láser. Ahoran informan en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) que han conseguido generar y medir un pulso aislado de attosegundo en el régimen de rayos X.

Según los autores, este avance tiene repercusiones para el desarrollo de la nanotecnología, ya que supone dar un paso más en el dominio de procesos extremadamente rápidos a energías muy altas.

“Actualmente el desarrollo de la tecnología está basado en el control de los procesos más pequeños que existen en la naturaleza, por ejemplo, los que ocurren a escalas inferiores a la milésima de milímetro han dado lugar a la nanotecnología”, explican Luis Plaja, científico de la Universidad de Salamanca, y Carlos Hernández García, actualmente en el Join Institute for Laboratory Astrophysics de la Universidad de Colorado (EE UU).

En la naturaleza los fenómenos más pequeños son también los que suceden de manera más rápida. Por ello, los procesos en nanotecnología y en escalas menores suelen ser extremadamente rápidos y su control no sólo consiste en elaborar las técnicas de fabricación a esta escala, sino también en dominarlos en el tiempo.

La electrónica convencional resulta demasiado lenta para medir e interaccionar con la naturaleza de escala nanoscópica, y sólo la luz ofrece una herramienta lo suficientemente rápida. “Hoy en día, con el desarrollo de lo láseres intensos, dominamos la luz visible e infrarroja, que nos ofrece la posibilidad de observar y modificar procesos ultrarrápidos tales como reacciones químicas o dinámica de moléculas, todos ellos entre cien y mil veces más veloces que la electrónica más rápida”, aseguran los expertos.

Sin embargo, aún falta mucho para desarrollar las mismas habilidades para la luz ultravioleta o los rayos X, que podrían utilizarse para observar y dominar procesos hasta un millón de veces más veloces que la electrónica ultrarrápida. Según los científicos, el dominio de la luz ultravioleta o de los rayos X abrirá las puertas al universo de los procesos atómicos, es decir, aquellos que suceden en el interior de los átomos. Son escalas temporales que se miden en trillonésimas de segundo, attosegundos, y que dan nombre a este desafío del conocimiento que los científicos han bautizado como Attociencia.

Láser para acelerar partículas

El desarrollo de la tecnología de láseres intensos ultrarrápidos durante los últimos 20 años posibilitó que en 2001 se midiesen los primeros pulsos láser con duración de unos cientos de attosegundos. Fue el nacimiento de la attociencia. En este proceso se utiliza un láser de gran intensidad para fragmentar los átomos de un gas de forma controlada, de manera que los electrones así extraídos son reconducidos por el campo intenso nuevamente hacia los restos del átomo (el ión) al mismo tiempo que son acelerados.

“Cada átomo se convierte así en un minúsculo colisionador de partículas, un nanoacelerador de una millonésima de milímetro, del cual, como resultado de la colisión, emergen fotones de alta energía, desde ultravioleta de vacío hasta rayos X”, relatan Carlos Hernández y Luis Plaja. Pero lo que hace realmente excepcional a estos nanocolisionadores no es su tamaño, sino que funcionan todos de forma sincronizada.

La metáfora perfecta es una gran orquesta siguiendo fielmente la batuta de las oscilaciones del láser de alta intensidad. “La radiación emitida está compuesta por oscilaciones de campo electromagnético perfectamente ordenadas, lo que se denomina una radiación coherente, que, además, se emite en forma de pulsos de attosegundo”, añaden los investigadores.

Desde el inicio de la attociencia, grandes esfuerzos científicos se han destinado a perfeccionar las fuentes de radiación de pulsos de attosegundo en dos direcciones. En primer lugar, la generación de un único pulso aislado de duración de unos cuantos attosegundos, ya que estos suelen producirse en forma de ráfagas de las que es difícil extraer uno solo. La producción de un único pulso se antoja muy complicada, ya que requiere un dominio extremedamente fino de procesos de generación.

En segundo lugar, se intenta aumentar la energía de los pulsos de attosegundo para obtener pulsos de rayos X. Los rayos X permiten escalar las aplicaciones de la luz visible a sistemas físicos de dimensiones mil veces menores, con lo que los científicos esperan multiplicar la capacidad de almacenamiento, precisión en la medida y otras variables que han resultado ya revolucionarias con la luz visible. Además otras propiedades de los rayos X, como su penetración en materiales opacos para la luz visible, ofrecen nuevas perspectivas en esas aplicaciones convencionales de ésta última.

Por todo ello, el trabajo que ahora se publica en PNAS constituye un avance significativo respecto al publicado hace dos años en la revista Science, en el que los mismos grupos de la Universidad de Colorado y de la Universidad de Salamanca, entre otros, demostraron la generación de rayos X coherentes por láser. De esta forma, esta misma ruta también es capaz de generar pulsos aislados de attosegundo, conjugando las dos propiedades más deseadas en los pulsos de attosegundo: que sea aislado, y de alta energía.

Un trabajo teórico y experimental

En esta investigación, se han efectuado simulaciones teóricas que reproducen y explican la física subyacente en este experimento. Los científicos se han valido de los códigos de simulaciones de generación y propagación de pulsos de attosegundo que han desarrollado en los últimos años, y los han extendido al límite para reproducir las condiciones extremas presentes en este experimento.

Para ello han necesitado utilizar el supercomputador Janus de la Universidad de Colorado, que realiza sus cálculos en paralelo en más de mil procesadores a la vez. “En un solo ordenador, este tipo de cálculos tardaría aproximadamente medio año, mientras que en el supercomputador tarda unas cuatro horas”, comentan los autores.

En su opinión, este trabajo demuestra, una vez más, la importancia de la sinergia entre un grupo experimental y uno teórico. “Los cálculos teóricos no sólo sirven para validar los resultados experimentales, sino que frecuentemente son la única forma de conocer detalles de los pulsos de attosegundo obtenidos en el laboratorio, que se encuentran más allá de las posibilidades de los instrumentos de medida disponibles”, destacan. Con ellos, también tienen facilidad para cambiar parámetros y geometrías y explorar experimentos 'virtuales' que muestren hacia dónde se deben dirigir los esfuerzos en el laboratorio.