Ciencia España , Salamanca, Viernes, 08 de junio de 2012 a las 17:23

La Universidad de Salamanca logra generar rayos X coherentes e intensos por láser y lo publica en 'Science'

El trabajo aparece en la edición de hoy, 8 de junio de 2012, en la prestigiosa revista científica y está firmado también por las universidades de Colorado, Cornell y Viena

JPA/DICYT Investigadores del Grupo de Óptica Extrema de la Universidad de Salamanca firman un artículo publicado en la prestigiosa revista científica 'Science' en su edición de hoy, 8 de junio de 2012. El trabajo, en el que participan las universidades estadounidenses de Colorado y Cornell y la austriaca de Viena, demuestra por primera vez que se pueden generar eficientemente rayos X utilizando un láser intenso "de sobremesa", puesto que cabe en un espacio muy reducido. Los rayos X producidos son coherentes, es decir, que mantienen una regularidad que permite realizar mediciones muy precisas que abre las puertas a muchos desarrollos tecnológicos.

 

"Es una nueva fuente de rayos X coherentes y esto significa que la luz de los rayos X está bien caracterizada espacial y temporalmente", explica en declaraciones a DiCYT Carlos Hernández García, autor de la publicación por parte de la Universidad de Salamanca junto a Luis Plaja. Ambos han conseguido recoger el trabajo que durante años ha realizado el Grupo de Óptica Extrema de la Universidad de Salamanca, convertido ya en uno de los mayores especialistas del mundo en este campo.

 

"Hemos demostrado experimentalmente que se pueden generar rayos X con láseres que caben en una mesa", agrega, “Por otro lado los cálculos teóricos del grupo de Salamanca indican que los rayos X se emiten en pulsos muy cortos, de una mil billonésima de segundo (la 1/1.000.000.000.000.000 parte de un segundo), extremo que es imposible de medir experimentalmente a día de hoy.

 

"Como una orquesta"

 

En el proceso intervienen muchos átomos y cada uno emite rayos X, pero la suma de ellos es coherente, es decir, "es como si tenemos una orquesta y por primera vez conseguimos que todos los músicos toquen a la vez y suene una melodía que tiene coherencia", comenta Carlos Hernández. Además, esto se consigue entre átomos muy dispersos, "si el director de la orquesta es el láser, estamos consiguiendo que las órdenes de la batuta lleguen a músicos situados en lugares muy separados, es como sincronizar una orquesta del tamaño de la superficie de la Tierra".

 

"La longitud de onda de los rayos X es más de 1.000 veces corta que la luz visible, tienen gran capacidad para penetrar en los materiales, de forma que los rayos X coherentes producidos en este trabajo son revolucionariamente prometedores como herramientas para entender y controlar cómo funciona el mundo en la escala nanométrica, de cara a una próxima generación de aplicaciones electrónicas, almacenamiento de información, y diagnóstico médico", apuntan los investigadores salmantinos.

 

Carlos Hernández realizó una estancia de investigación en la Universidad de Colorado, que viene desarrollando esta fuente de rayos X durante los últimos 10 años. Mientras que las Universidades de Colorado y Técnica de Viena han desarrollado la parte experimental, Salamanca y Cornell se han dedicado a la parte teórica.

 

El Grupo de Óptica Extrema de Salamanca ha conseguido simular el proceso de generación de armónicos, la suma coherente de todos los átomos, y predecir cuál iba a ser la duración de los rayos X. Se trata de la primera vez que se simula este tipo de experimento. Las simulaciones teóricas predicen aspectos de la radiación producida que no pueden ser medidos con la tecnología actual, pero que son extremadamente importantes


El futuro de la investigación

 

El desarrollo futuro de esta investigación se encamina hacia lograr la generación de rayos X duros, pulsos de rayos X con duraciones por debajo del attosegundo y aliarse con los láseres de electrones libres, que también son capaces de generar rayos X pero de menor coherencia, utilizando grandes instalaciones ligadas a aceleradores de partículas convencionales. "La combinación de ambos métodos permite pensar en una estrategia común en la que el sistema que hemos presentado proporcione una señal de alta calidad para ser amplificada en las diferentes etapas que componen el láser de electrones libres", declaran los científicos.


Finalmente, Carlos Hernández y Luis Plaja recuerdan que esta investigación es el resultado de una colaboración internacional, que demuestra una vez más que la Ciencia no tiene fronteras. Sin embargo, para participar en este tipo de alianzas es necesario contar con una financiación estable y en estos momentos la investigación en España pasa por un periodo de incertidumbre.

 

¿Qué se puede hacer con los rayos X blandos? 
 

El objetivo de los investigadores es que esta tecnología láser, que por el momento ha logrado generar rayos X blandos, avance hasta ser capaces de conseguir rayos X duros, que tendrían mayores aplicaciones porque son los que se utilizan, por ejemplo, en el ámbito de la biomedicina al ser capaces de penetrar en los tejido biológicos. Sin embargo, las posibilidades de los rayos X blandos desarrollados con este sistema láser ya son muchas. Los investigadores salmantinos han enumerados las principales:
 

 

1- Medir moléculas y dispositivos tecnológicos del tamaño de un nanómetro (millonésima de milímetro). Las ondas coherentes tienen sus crestas a intervalos regulares. Esto permite medir distancias contando el número de crestas entre dos puntos del espacio. La resolución de la medida depende, por supuesto, de la distancia entre crestas. Esta distancia es la longitud de onda de la radiación. Para la mayoría de los láseres tienen longitudes de onda cercanas a la micra (milésima de milímetro) y, por ejemplo, pueden aplicarse para medir rugosidades en superficies de ese orden, o medidas de distancias con esta misma precisión. Los rayos X poseen longitudes de onda miles de veces más pequeñas que las visibles, lo cual permite medir tamaños mucho más pequeños como, por ejemplo, las dimensiones de algunas moléculas o de los dispositivos nanotecnológicos.


2- Microscopía nanoscópica. Cualquier imagen tiene una resolución mínima. No es tanto un problema tecnológico como de la propia naturaleza de la luz: Sabemos que la luz se dispersa completamente al iluminar objetos de tamaño igual o menor a su longitud de onda. La luz así dispersada pierde toda la información sobre la estructura y tamaño del objeto. Los rayos X, por tanto, ofrecen resoluciones nanométricas, lo cual permite resolver estructuras espaciales muy pequeñas como, por ejemplo, las partes integrantes de los virus más pequeños.


3- Física atómica de alta energía (llegar a los electrones del interior del átomo). Los láseres convencionales únicamente interaccionan con los electrones más superficiales de los átomos. Gracias a ellos tenemos una idea precisa de los procesos que ocurren a este nivel. Sin embargo, los electrones internos se encuentran fuera de su alcance: son tan energéticos que no es posible perturbarlos o controlarlos con los fotones de la radiación visible. Los rayos X interaccionan con estos electrones proporcionando información sobre los procesos que se llevan a cabo en el interior del átomo.
 

4- Observación ultrarrápida. Al igual que las olas del mar tranquilo, los haces coherentes no sólo son regulares en el espacio, sino también en el tiempo. La regularidad en el tiempo transcurrido entre el paso de dos crestas de la ola nos proporciona un reloj para medir los procesos de la Naturaleza. Para los láseres convencionales este reloj es ya enormemente preciso: tiene una resolución de alrededor de un femtosegundo (una mil billonésima de segundo, es decir la 1/1.000.000.000.000.000 parte de un segundo), lo que permite resolver el desarrollo de reacciones químicas. Los fenómenos físicos fundamentales son unas cien veces más rápidos, lo que requiere de radiación coherente de frecuencia mucho mayor a la del visible, es decir, rayos X. De hecho, en nuestra contribución los rayos X generados oscilan aún más rápidamente, lo que hace posible llegar a resoluciones temporales por debajo del attosegundo (una trillonésima de segundo, es decir la 1/1.000.000.000.000.000.000 parte de un segundo).