Gran avance en el Instituto Fritz Haber: primer funcionamiento de un modo bicolor en un láser infrarrojo de electrones libres
Nuevas oportunidades para estudios experimentales en diversos campos que van desde la química física, la ciencia de los materiales y la investigación sobre catálisis hasta los estudios biomoleculares
El Instituto Fritz Haber (FHI) de la Sociedad Max Planck de Berlín ha logrado un hito tecnológico. Por primera vez, se ha hecho funcionar un láser infrarrojo de electrones libres (FEL) en modo bicolor. Esta tecnología única en el mundo permite realizar experimentos con pulsos láser bicolores sincronizados, lo que abre nuevas posibilidades a la investigación.
Los láseres de electrones libres, de los que hay más de una docena en todo el mundo, varían considerablemente en tamaño (de unos pocos metros a varios kilómetros), en la gama de longitudes de onda (de microondas a rayos X duros) y en costes (de millones a más de mil millones). Sin embargo, todos producen pulsos de radiación intensos y cortos. Los láseres de electrones libres se han convertido en importantes fuentes de radiación en las últimas décadas, encontrando una amplia aplicación en la investigación básica y las ciencias aplicadas. Los investigadores del FHI han desarrollado ahora, en colaboración con socios estadounidenses, un método que permite la generación simultánea de pulsos infrarrojos en dos colores diferentes. Esta innovación es especialmente importante para el estudio de procesos temporales en sólidos y moléculas.
En un FEL, los haces de electrones se aceleran primero hasta alcanzar energías cinéticas muy elevadas mediante un acelerador de electrones, llegando casi a la velocidad de la luz. A continuación, los electrones rápidos pasan por un ondulador, donde son forzados a seguir una trayectoria similar a un slalom por fuertes campos magnéticos de polaridad periódicamente variable. Las oscilaciones de los electrones dan lugar a la emisión de radiación electromagnética, cuya longitud de onda puede variarse ajustando la energía de los electrones y/o la intensidad del campo magnético. Por esta razón, los FEL pueden utilizarse para generar radiación de tipo láser en casi todas las partes del espectro electromagnético, desde los terahercios largos hasta los rayos X cortos.
Desde 2012, en el FHI funciona un FEL que produce una intensa radiación pulsada en el rango del infrarrojo medio (MIR), sintonizable de forma continua entre 2,8 y 50 micrómetros de longitud de onda. En los últimos años, los científicos e ingenieros del FHI han trabajado en una ampliación bicolor, en la que se ha instalado una segunda rama FEL (véase la figura) para generar radiación en el infrarrojo lejano (FIR) con longitudes de onda entre 5 y 170 micrómetros. La rama FIR-FEL incluye un nuevo ondulador de imán híbrido, construido especialmente en el FHI. Además, detrás del acelerador lineal de electrones (LINAC) se instaló una cavidad kicker de 500 MHz para la desviación transversal de los electrones. La cavidad kicker puede cambiar la dirección de los haces de electrones de alta energía a una velocidad de 1.000 millones de veces por segundo.
En junio de 2023, el equipo del FHI demostró el primer "lasing" del nuevo FIR-FEL, dirigiendo todos los haces de electrones procedentes del LINAC al FIR-FEL. En diciembre de 2023, pudieron demostrar por primera vez el funcionamiento en dos colores. En este modo, el fuerte campo eléctrico oscilante formado en la cavidad del kicker desvía uno de cada dos manojos de electrones hacia la izquierda y uno de cada dos manojos hacia la derecha. De este modo, el tren de haces de electrones de alta tasa de repetición (1 GHz; 1 haz por ns) procedente del LINAC se divide en dos trenes de haces de la mitad de la tasa de repetición cada uno; uno se dirige al antiguo MIR-FEL y el otro al nuevo FIR-FEL. En cada FEL, la variación de la intensidad del campo magnético ondulador permite un ajuste continuo de la longitud de onda de hasta un factor de cuatro.
Durante aproximadamente una década, el FHI-FEL ha permitido a los grupos de investigación del FHI realizar experimentos que van desde la espectroscopia de cúmulos, nanopartículas y biomoléculas en fase gaseosa hasta la espectroscopia no lineal en estado sólido y la ciencia de superficies, lo que ha dado lugar a unas 100 publicaciones revisadas por pares hasta la fecha. El nuevo modo de dos colores, que no está disponible en ninguna otra instalación FEL IR del mundo, permitirá realizar experimentos novedosos como los de sonda de bombeo MIR/MIR y MIR/FIR. Se espera que esto abra nuevas oportunidades para los estudios experimentales en diversos campos que van desde la química física, la ciencia de los materiales, la investigación de la catálisis a los estudios biomoleculares, contribuyendo así al desarrollo de nuevos materiales y medicamentos.
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