Cómo generar pulsos aislados de rayos X con duraciones de attosegundo
En esta entrada vamos a explicar uno de nuestros últimos resultados, en el que el equipo formado por JILA en la Universidad de Colorado (EEUU), el Grupo de Investigación en Óptica Extrema en la Universidad de Salamanca, la Universidad de Ting Hua (Taiwan) y la Universidad de Delaware (EEUU), ha sido capaz de generar y controlar un único pulso de rayos X, con una duración de unos cientos de attosegundos1.
Figura 1. Reproducción artística de la creación de un pulso de attosegundo aislado (azul) a partir de un pulso infrarrojo láser (rojo). Crédito: Ming-Chang Chen
Desde el reciente inicio de la Attociencia, se han destinado muchos esfuerzos para perfeccionar las fuentes de radiación de pulsos de attosegundo en dos direcciones. En primer lugar para lograr la generación de un único pulso aislado de duración de unos cuantos attosegundos, ya que éstos suelen producirse en forma de ráfagas de las que es difícil extraer uno sólo. De hecho, la producción de un único pulso se antoja muy complicada, ya que requiere un dominio extremedamente fino del proceso de generación. Sin embargo, la generación de pulsos únicos es sumamente interesante ya que nos permitiría controlar con mayor precisión la dinámica de electrones dentro de los átomos o las moléculas. Una segunda ambición consiste en 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 se espera multiplicar la capacidad de almacenamiento, la precisión en la medida, etc. avances que ya resultaron revolucionarios con la luz visible. Además, otras propiedades de los rayos X, como su penetración en materiales opacos para la luz visible, añaden nuevas perspectivas.
En el trabajo que ahora presentamos hemos sido capaces de aunar ambas características para obtener un único pulso de rayos X con duración de unas centenas de attosegundo.
Para entender cómo se produce un único pulso de attosegundo, utilizaremos de nuevo el símil de la orquesta musical. En éste, imaginamos a los átomos como una enorme orquesta y al pulso láser infrarrojo como su director. Bajo la batuta del láser infrarrojo, los átomos emiten radiación en un extenso rango de frecuencias, como una complicada sinfonía de luz.
Figura 2. Esquema sobre las dos técnicas generales para conseguir un pulso aislado de attosegundo. En primer lugar, convenciendo a nuestro director de orquesta (láser infrarrojo) para que componga una melodía de una sola nota musical. En segundo lugar, modificando la comunicación entre el director y los músicos (átomos), de manera que éstos emiten melodías totalmente desacompasadas salvo en un único instante de tiempo, donde emiten una nota musical (pulso de attosegundo) al unísono
Por desgracia para nuestros intereses científicos, a nuestro director de orquesta le encanta componer largas melodías con muchas notas musicales (un tren de pulsos de attosegundo). Sin embargo, nos gustaría poder disponer de una sola nota (un pulso de attosegundo aislado). Para ello podemos tratar de convencer al director para que componga una melodía de una única nota. Esto correspondería a utilizar pulsos de infrarrojo de menos de un ciclo de duración. Aunque parece la técnica más sencilla y directa, no es fácil construir pulsos tan breves. De hecho, como le pasaría a nuestro director de orquesta, sería un límite en el que la propia naturaleza del pulso estaría en entredicho. Aún así, aunque el límite no es concebible, podemos acercarnos a él. De este modo, en los últimos años se han desarrollado diversas técnicas2 de control del pulso infrarrojo para conseguir un único pulso de attosegundo. Una segunda estrategia consiste en dejar que el director componga sus largas melodías, y centrar nuestros esfuerzos en modificar la comunicación entre el director y los músicos, de manera que tratemos de que cada uno de los músicos emita la melodía del director totalmente desacompasada, excepto en un momento, en el que todos ellos tocarían al unísono la misma nota. Como resultado obtendremos una melodía tenue ruidosa, salvo en un instante de tiempo donde escucharemos una nota musical intensa y perfectamente afinada. En términos científicos, permitimos que cada átomo genere un tren de pulsos, pero de forma que todos los pulsos interfieran destructivamente con los emitidos por los demás átomos excepto uno de ellos, que lo hace constructivamente, consiguiendo de esta manera un pulso aislado de attosegundo. En este trabajo hemos demostrado la capacidad de este segundo método para, no sólo generar un pulso aislado de attosegundo, sino además de generarlo con mayor intensidad y energía que en los primeros métodos.
Este trabajo constituye un avance significativo respecto al trabajo 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.
1 Más información acerca de este trabajo en JILA.
2 Para más información acerca de distintas técnicas recomiendo leer el siguiente artículo.