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El artículo se publica en ‘Science’

Obtienen un láser de rayos X a partir de uno de infrarrojos

Hasta ahora los láseres de rayos X se producían en grandes instalaciones, como los aceleradores de partículas, pero un equipo de EE UU, Austria y España lo ha conseguido mediante pequeños generadores de láser infrarrojo. El resultado de esta investigación tiene aplicaciones en microscopía nanoscópica y observación ultrarrápida.

Representación de un pulso coherente de rayos X: Imagen: Tenio Popmintchev y Brad Brazley.
Obtienen un láser de rayos X a partir de uno de infrarrojos . Foto: Tenio Popmintchev and Brad Baxley

Hasta ahora los láseres de rayos X se producían en grandes instalaciones, como los aceleradores de partículas, pero un equipo de EE UU, Austria y España lo ha conseguido mediante pequeños generadores de láser infrarrojo. El resultado de esta investigación tiene aplicaciones en microscopía nanoscópica y observación ultrarrápida.

“La naturaleza de los rayos X es la misma que la luz visible [electromagnética], pero cada uno de sus fotones tiene una energía mil veces mayor”, explican Carlos Hernández García y Luis Plaja, científicos de la Universidad de Salamanca. “Por eso se ha tardado 50 años en crear haces de láser de rayos X”, aclaran a SINC.

El resultado es un haz de rayos X ‘coherente’, que es la propiedad que diferencia al láser de la luz convencional

Generar un láser de rayos X requiere tanta energía que hasta ahora solo se podía hacer en enormes instalaciones, como las que albergan aceleradores de partículas, donde los electrones se aceleraban hasta velocidades cercanas a las de la luz.

“Nuestro enfoque utiliza láseres de infrarrojo que ocupan únicamente una mesa de laboratorio”, afirman los investigadores españoles.

La técnica que han utilizado se llama ‘Generación de Altos Armónicos’ (High-Order Harmonic Generation, en inglés) y fragmenta los átomos de un gas usando un láser de alta intensidad. “Cada átomo de gas se convierte así en un minúsculo colisionador de partículas, un nanoacelerador, del que emergen fotones de rayos X”, aclaran los científicos.

“La técnica HHG tiene una analogía musical perfecta –afirman Hernández y Plaja–. Cuando pulsamos la tecla de un piano suena una nota acompañada por las demás del mismo nombre pero en octavas diferentes y con una intensidad menor. En el caso de la luz, cada átomo se comporta como un instrumento musical: el láser hace que los electrones de los átomos de gas vibren a frecuencias armónicas, el doble, el triple y, en nuestro caso, ¡hasta 5.000 veces! Al igual que el sonido de cada octava superior es progresivamente más agudo, la luz de cada armónico es progresivamente más energética, pasando de ser visible, a ultravioleta y, finalmente a rayos X”.

Según los autores, lo realmente excepcional es que todos los nanocolisionadores funcionan de manera sincronizada “como una gran orquesta, siguiendo fielmente la batuta del láser de alta intensidad”. El resultado es un haz de rayos X ‘coherente’, que es la propiedad que diferencia al láser de la luz convencional (como la de una bombilla) y lo que lo convierte en una herramienta tan particular.

“Los rayos X coherentes que hemos generado son prometedores para entender, medir y controlar el mundo nanométrico”, señalan Hernández García y Plaja.

Las aplicaciones presentes y futuras de la coherencia

“Para los físicos la coherencia es una manera de expresar regularidad –explican los dos españoles–. Las olas del mar en un día de calma son coherentes porque se suceden de manera regular, con una distancia más o menos constante entre ellas. En un día de marejada, en cambio, las olas no siguen ningún tipo de patrón”.

La longitud de onda de la radiación que han generado en esta investigación corresponde a lo que se llama rayos X ‘blandos’ que se diferencian de los ‘duros’ porque tienen menos capacidad de penetración. “En las radiografías, por ejemplo, se utilizan los duros”, matizan los científicos.

“Los rayos X blandos son herramientas que tienen numerosas aplicaciones, como por ejemplo, medir y observar las partes integrantes de los virus más pequeños y los procesos que suceden en el interior de un átomo”, afirman. Estos rayos ofrecen resoluciones nanométricas, por lo que se pueden aprovechar en microscopía nanoscópica.

Por otra parte, los rayos X obtenidos oscilan muy rápidamente. Esto, unido a que se generan en haces coherentes (regulares en el espacio y en el tiempo), los convierte en ‘relojes’ de gran resolución, por debajo del attosegundo –una trillonésima de segundo, es decir, un segundo dividido entre 1.000.000.000.000.000.000–.

El siguiente paso en esta línea de investigación es obtener rayos X duros que, gracias a su poder de penetración en el tejido vivo, tienen un amplio abanico de aplicaciones en biomedicina.

Referencia bibliográfica:

Popmintchev T.; Chen M.C.; Popmintchev D.; Arpin P.; Brown S.; Ališauskas S.; Andriukaitis G.; Balčiunas T.; Mücke O.D.; Pugzlys A.; Baltuška A.; Shim B.; Schrauth S.E.; Gaeta A.; Hernández-García C.; Plaja L.; Becker A.; Jaron-Becker A.; Murnane M.M.; Kapteyn H.C. “Bright Coherent Ultrahigh Harmonics in the keV X-ray Regime from Mid-Infrared Femtosecond Lasers”. Science 336: 1287-1291, junio de 2012. DOI: 10.1126/science.1218497

Fuente: SINC
Derechos: Creative Commons
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