Hito en la tecnología láser: una enorme máquina de investigación mucho más pequeña y rentable

Un equipo de investigadores demuestra un láser de electrones libres accionado por haces de electrones acelerados por plasma y sembrados por pulsos de luz adicionales

07.12.2022 - Alemania

Los pulsos de luz extremadamente intensos generados por láseres de electrones libres (FEL) son herramientas versátiles en investigación. Especialmente en el rango de los rayos X, pueden emplearse para analizar los detalles de las estructuras atómicas de una amplia variedad de materiales. Hasta ahora, los FEL, como el XFEL europeo de Alemania, se basan en aceleradores de electrones convencionales, lo que los hace largos y caros. Un equipo internacional dirigido por el Sincrotrón SOLEIL (Francia) y el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha logrado un gran avance en el camino hacia una solución alternativa asequible: han podido demostrar el láser FEL sembrado en el régimen ultravioleta basado en una tecnología aún joven: la aceleración láser-plasma.

Los láseres de electrones libres de rayos X se cuentan entre las máquinas de investigación más potentes y complejas del mundo. El principio: con la ayuda de potentes ondas de radiofrecuencia, un acelerador acerca los electrones a la velocidad de la luz. A continuación, las partículas, agrupadas en haces, vuelan a través del "ondulador", una disposición de imanes con campos que se alternan periódicamente y obligan a los haces de electrones a seguir trayectorias de slalom. Esto hace que los haces se reorganicen en muchos grupos más pequeños de electrones, los microhaces, que emiten juntos pulsos de luz extremadamente potentes, similares a los de un láser. Con ellos se pueden descifrar propiedades desconocidas de los materiales o seguir procesos extremadamente rápidos, como reacciones químicas que tienen lugar en cuatrillonésimas de segundo.

Sin embargo, el multimillonario XFEL europeo y otras infraestructuras similares tienen un inconveniente: "Miden varios cientos de metros o incluso algunos kilómetros", explica el profesor Ulrich Schramm, director del Instituto de Física de las Radiaciones HZDR. "Por eso estamos trabajando en una tecnología alternativa para que esas instalaciones sean más pequeñas y rentables, y entonces podrían estar más cerca de los usuarios de las universidades y la industria en el futuro". La base es una nueva tecnología de aceleradores aún en desarrollo: la aceleración de plasma por láser. "Utilizando un láser de alta potencia disparamos breves destellos de luz ultrafuerte a un plasma, que es un gas ionizado de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente", explicó el Dr. Arie Irman, físico del HZDR. "En el plasma, el pulso de luz genera entonces una fuerte onda de campos eléctricos alternos, similar a la estela de un barco". Esta onda puede acelerar rápidamente los electrones a mayor velocidad en una distancia muy corta. En principio, esto podría reducir un acelerador que ahora mide cien metros a una longitud de mucho menos de un metro.

Éxito del trabajo en equipo

En principio, hace tiempo que se aceleran electrones con esta técnica. Pero sólo recientemente, aunque todavía en una fase incipiente, ha sido posible enviar esos racimos de partículas rápidas desde un acelerador de plasma a través de un ondulador y convertirlos después en destellos de luz láser. Para generar por primera vez una luz láser FEL bien controlable impulsada por aceleración de plasma, el HZDR se asoció con expertos del sincrotrón francés SOLEIL. "Un acelerador de plasma instalado en Dresde, accionado por el láser de alta potencia DRACO, proporcionó haces de electrones rápidos de gran calidad", explicó la Dra. Marie-Emmanuelle Couprie, física del SOLEIL. "A continuación, construimos un ondulador junto con la línea de haces del acelerador asociada, que previamente se había optimizado para los métodos de transporte de haces de electrones, la generación de radiación del ondulador, la generación y conformación de semillas, incluida la cuestión del solapamiento y las metodologías a lo largo de varios años en el laboratorio francés de aceleradores de plasma Laboratoire d'Optique Appliquée de Palaiseau conjuntamente con el PhLAM de Lille."

Para generar destellos láser FEL en el régimen ultravioleta (UV), los investigadores tuvieron que resolver varios problemas esenciales. "Teníamos que producir racimos de partículas que contuvieran cantidades copiosas de electrones", explicó Irman. "Al mismo tiempo, era importante que estos electrones poseyeran energías tan iguales como fuera posible". Para evitar que los racimos de electrones divergieran con demasiada rapidez, se utilizó un truco refinado: la llamada lente de plasma. Además, el equipo aplicó un método denominado "siembra": de forma sincronizada con los haces de electrones, dispararon pulsos de luz láser externa en el ondulador, lo que resulta crucial para acelerar el proceso FEL y permitió mejorar la calidad del haz de los destellos láser FEL.

Un gran avance para la tecnología láser

Con esta configuración, el equipo pudo por fin alcanzar su objetivo: tal y como esperaban, la demostración del FEL accionado por plasma generó destellos láser UV ultracortos. "Durante 15 años, la comunidad de físicos de aceleradores avanzados ha soñado con la creación de un láser de electrones libres como éste", declaró Ulrich Schramm entusiasmado. "Puede imaginarse lo felices que estamos de haberlo conseguido ahora en Dresde". También para Arie Irman se ha hecho realidad un sueño: "Un láser de electrones libres accionado por plasma siempre se ha considerado uno de los hitos más importantes en nuestro campo. Gracias a nuestro experimento, ahora hemos logrado enormes avances".

Antes de que un FEL basado en plasma pueda ponerse en práctica, aún quedan varios retos por superar. Por ejemplo, mientras que la instalación de Dresde fue capaz de generar pulsos ultravioleta, la investigación requiere destellos de rayos X de alta intensidad, para lo cual habría que acelerar los electrones a energías mucho mayores. "Esto ya se ha demostrado en principio con la aceleración de plasma, pero hasta ahora la calidad de los haces de electrones sigue siendo demasiado pobre e inestable para un FEL de rayos X", explica Schramm. "Pero con una nueva generación de láseres de alta potencia, esperamos resolver este problema". Si la empresa tiene éxito, en el futuro los láseres de electrones libres podrían caber en el sótano del instituto y, por tanto, estar a disposición de muchos más equipos de investigación que en la actualidad.

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