Visión de rayos X a través de la ventana del agua
Los físicos del ETH han desarrollado la primera fuente láser de alta tasa de repetición que produce rayos X blandos coherentes que abarcan toda la "ventana del agua". Este avance tecnológico debería permitir una amplia gama de estudios en las ciencias biológicas, químicas y materiales, así como en la física.
La fotografía se toma durante el proceso de generación de alta armonía en la celda de gas de alta presión, con la entrada de infrarrojos medios llegando a la derecha y la salida de rayos X suaves apareciendo a la izquierda.
ETH Zurich/D-PHYS Keller group
a) Sistemas de infrarrojos medios de alta frecuencia (>10 kHz) de última generación. b) Los más modernos sistemas de corte de alta frecuencia de alta repetición con ajuste de fase. (Los puntos de referencia se compilaron en octubre de 2019, en la fecha de presentación).
ETH Zurich/D-PHYS Keller group
La capacidad de generar pulsos de luz de duración inferior a un femtosegundo, demostrada por primera vez hace unos 20 años, ha dado lugar a un campo totalmente nuevo: la ciencia y la tecnología de los segundos. Han surgido sistemas de láser de mesa que permiten a estudios que durante decenios no fueron más que un sueño lejano, seguir, visualizar y caracterizar los procesos electrónicos de los átomos, moléculas y sólidos en sus escalas de tiempo naturales de attosegundos. Los sistemas láser que hacen posibles esos estudios suelen funcionar en la banda espectral ultravioleta extrema. Sin embargo, desde hace mucho tiempo se ha impulsado la consecución de energías fotónicas más altas. De particular interés es la "ventana de agua", ocupada por radiación de rayos X suaves con longitudes de onda entre 2,2 y 4,4 nm. Esa ventana espectral debe su nombre, y su importancia, al hecho de que en esas frecuencias, los fotones no son absorbidos por el oxígeno (y por lo tanto por el agua), sino por el carbono. Esto es ideal para estudiar las moléculas orgánicas y los especímenes biológicos en su entorno acuoso natural. Hoy en día, existe un puñado de fuentes de attosegundos que abarcan esta gama de frecuencias, pero su aplicabilidad está limitada por las relativamente bajas tasas de repetición de 1 kHz o menos, lo que a su vez significa bajas tasas de conteo y pobres relaciones señal-ruido. Escribiendo en Óptica, Justinas Pupeikis y sus colegas del grupo de Física de Láser Ultra-rápido de la Prof. Ursula Keller del Instituto de Electrónica Cuántica informan ahora de un salto esencial para superar las limitaciones de las fuentes anteriores. Presentan la primera fuente de rayos X blandos que abarca toda la ventana del agua a una velocidad de repetición de 100 kHz, una mejora cien veces mayor en comparación con las fuentes de última generación.
Un impulso en la capacidad tecnológica
El cuello de botella en la producción de rayos X blandos a altas tasas de repetición ha sido la falta de sistemas láser adecuados para impulsar el proceso clave subyacente a la generación de pulsos de segundo en los sistemas de mesa. Ese proceso se conoce como generación de alto armónico, e implica un intenso pulso de láser de femtosegundo que interactúa con un objetivo, típicamente un gas atómico. La respuesta electrónica no lineal del objetivo causa entonces la emisión de pulsos de attosegundo en un orden impar múltiplo de la frecuencia del campo láser impulsor. Para asegurar que esa respuesta contenga fotones de rayos X que abarquen el rango de la ventana de agua, la fuente de femtosegundos tiene que operar en el rango del infrarrojo medio. Además, tiene que emitir pulsos de alta potencia. Y todo eso a altas tasas de repetición. Tal fuente no existía hasta ahora.
Pupeikis y otros asumieron el reto y mejoraron sistemáticamente un diseño que ya habían explorado en trabajos anteriores, basado en la amplificación óptica del pulso de chirrido paramétrico (o OPCPA para abreviar). Ya habían establecido anteriormente que el enfoque es prometedor con miras a realizar fuentes de alta potencia en el infrarrojo medio, pero todavía se necesitaban mejoras sustanciales para alcanzar el rendimiento requerido para la generación de fotones de rayos X de alta armonía en la ventana del agua. En particular, elevaron la potencia máxima de los anteriores 6,3 GW a 14,2 GW, y alcanzaron una potencia media de 25 W para pulsos un poco más largos que dos oscilaciones del campo óptico subyacente (16,5 fs). La potencia de cresta demostrada es cómodamente la más alta registrada hasta la fecha para cualquier sistema de alta tasa de repetición con una longitud de onda superior a 2 μm.
Listo para la sala de rayos X
Con este nivel de rendimiento a su disposición, el equipo estaba listo para la siguiente etapa, la conversión ascendente de frecuencia a través de la generación de altos armónicos. Para ello, el haz de salida del OPCPA fue encaminado a través de un sistema de periscopio a otro laboratorio a más de 15 m de distancia, para acomodarse a las limitaciones de espacio del laboratorio local. Allí, el rayo se encontró con un objetivo de helio, mantenido a una presión de 45 bar. Esa alta presión era necesaria para la coincidencia de fase entre la radiación de infrarrojos y la de rayos X y, por lo tanto, para una óptima eficiencia de conversión de la energía.
Todas las piezas cuidadosamente colocadas en su lugar, el sistema efectivamente entregado. Generó una radiación coherente de rayos X blandos que se extendía a una energía de 620 eV (longitud de onda de 2 nm), cubriendo toda la ventana del agua, un logro destacado en relación con otras fuentes de alta tasa de repetición en esta gama de frecuencias.
Una ventana de oportunidad
Esta demostración abre un amplio espectro de nuevas oportunidades. La obtención de imágenes coherentes en la región espectral de la ventana de agua, de gran relevancia para la química y la biología, debería ser posible con una configuración compacta. Al mismo tiempo, la alta tasa de repetición disponible ayuda, por ejemplo, a abordar las limitaciones debidas a la formación de cargas espaciales que asolan los experimentos de fotoemisión con fuentes pulsantes. Además, la "ventana de agua" comprende no sólo los bordes K del carbono, el nitrógeno y el oxígeno, sino también los bordes L y M de una gama de metales, que ahora pueden estudiarse con mayor sensibilidad o especificidad.
Con tan brillantes perspectivas, la realización de la fuente que ahora se presenta anuncia el comienzo de la próxima generación de tecnología de segundo orden, en la que los experimentadores pueden por primera vez hacer uso combinado de altas tasas de repetición y altas energías fotónicas. Actualmente se está construyendo en el laboratorio de Keller una línea de haz de attosegundos diseñada para explotar estas nuevas capacidades.
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