Cuando se inauguró el primer láser de electrones libres de rayos X (XFEL) en 2009 en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en California, proporcionó una nueva forma de ver el mundo a escala atómica, revelando detalles sobre procesos bioquímicos como la fotosíntesis y materiales exóticos como como superconductores. Pero desde entonces, solo se han construido otras cuatro instalaciones de este tipo de miles de millones de dólares en todo el mundo, y conseguir tiempo para ellas es difícil.
Un grupo de investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (ASU), Tempe, ahora planea construir un nuevo tipo de láser de electrones libres, dramáticamente más pequeño y más barato que cualquier otro que haya existido antes. Este mes, ASU Anunciado se embarcaría en el proyecto Compact X-ray Free Electron Laser (CXFEL) de $170 millones después de recibir una subvención de $91 millones de la National Science Foundation. El diseño podría poner las máquinas al alcance de los laboratorios universitarios y ampliar su accesibilidad.
«Es una idea elegante», dice Claudio Pellegrini, físico de SLAC que propuso por primera vez su XFEL en 1992. «A todo el mundo le gustaría hacer un sistema más pequeño».
Los XFEL son excelentes sondas del mundo atómico porque los rayos X de longitud de onda corta pueden resolver detalles que serían invisibles para la luz de longitud de onda más larga. Además, los pulsos de rayos X cortos de femtosegundos funcionan como una cámara de alta velocidad, lo que ayuda a los investigadores a capturar procesos ultrarrápidos como el movimiento de electrones y átomos.
Para alcanzar una resolución espacial y temporal tan suprema, un XFEL estándar requiere un acelerador lineal de un kilómetro de largo. Impulsa los electrones hasta energías de 10 gigaelectronvoltios (GeV), o el 99,9999995 % de la velocidad de la luz. Luego, los electrones pasan a través de «onduladores», una serie de imanes dispuestos en polaridad alterna. Los electrones emiten rayos X a medida que se mueven a través de los campos magnéticos. Las interacciones entre la luz y los electrones hacen que los electrones se amontonen y se irradien en conjunto como un láser.
El equipo de ASU planea reemplazar los voluminosos onduladores magnéticos con un láser que brilla directamente en el tren de electrones que se aproxima. El láser, como todas las emisiones electromagnéticas, tiene un campo magnético asociado, dice Bill Graves, físico de ASU y científico jefe de CXFEL. “Cuando los electrones se encuentren con el láser, se moverán como lo hacen en un ondulador”. Pero donde la polaridad de los campos onduladores se alterna en unos pocos centímetros, el campo del láser oscila junto con la longitud de onda de la luz: solo 1 micrómetro.
Este ondulador de ultra alta frecuencia significa que los electrones pueden moverse y emitir rayos X a energías mucho más bajas. Solo necesitan acelerarse a 30 megaelectronvoltios, una hazaña mucho más fácil que los 10 GeV necesarios en un XFEL estándar. Esto reduce enormemente la huella del XFEL, bajándolo de 1 kilómetro a solo 10 metros.
Con un haz de electrones de menor energía, el equipo puede usar difractores de cristal e imanes para modelar finamente los electrones en racimos apretados. Los electrones agrupados se mueven de forma más sincronizada entre sí y, como resultado, producen una luz de rayos X más coherente. El agrupamiento también da como resultado un pulso más corto de menos de un femtosegundo.
Tales pulsos cortos podrían potencialmente revelar la forma en que las moléculas de clorofila capturan la luz solar durante la fotosíntesis, dice Petra Fromme, bioquímica de ASU y miembro del equipo de CXFEL. “Podemos mirar cosas que nadie ha visto antes”.
Sam Teitelbaum, físico de ASU, planea usar CXFEL como una sonda sensible del comportamiento de los electrones en los materiales, lo que puede producir una serie de fenómenos inexplicables, desde superconductividad a alta temperatura hasta estados magnéticos exóticos. Las lecciones aprendidas podrían inspirar nuevos materiales superconductores o dispositivos de almacenamiento de datos más confiables.
Aunque el nuevo dispositivo tendrá pulsos rápidos y coherentes, no tendrá el mismo impacto que un XFEL estándar. Sus pulsos son mucho menos brillantes y los fotones de rayos X individuales tienen longitudes de onda más largas que las de sus predecesores más grandes. Esto significa que el CXFEL perderá algunos de los detalles más pequeños que pueden ver los XFEL más grandes. Por otro lado, los pulsos de menor energía causarán menos daño a las muestras que normalmente son borradas por las instalaciones más grandes.
“Las grandes máquinas son como un martillo”, dice Graves. “Somos más como un bisturí”.
Pellegrini se mantiene cauteloso ante un proyecto tan ambicioso. En particular, dice, el plan del equipo para dar forma a los pulsos de electrones aún no se ha demostrado. “Antes de venderlo como XFEL hay mucho trabajo por hacer”.
Aún así, los investigadores detrás del proyecto son optimistas. Ya comenzaron a construir CXFEL y esperan estarlo operando en 5 años. “Cada vez que pueda ver que las cosas se mueven más rápido, tendrá una idea de cuán dinámico es el mundo en esa escala de tiempo”, dice Teitelbaum. «Definitivamente habrá algún problema que se resolverá por completo por este hecho».
