Un acelerador láser compacto genera rayos X brillantes en la ventana del agua en modelos computacionales

Reducir el acelerador a escala de laboratorio

Los láseres de electrones libres tradicionales requieren aceleradores de electrones convencionales que se extienden a lo largo de varios kilómetros para generar haces de alta intensidad. Según un estudio publicado en Nature Communications, un equipo de investigación de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, la Universidad de Strathclyde y la instalación ELI Beamlines ha encontrado un método alternativo mediante una notable innovación científica. Al sustituir túneles de kilómetros de longitud por ondas de plasma impulsadas por láser, el equipo logró alcanzar energías de electrones relativistas en apenas unos centímetros.

«Que una fuente de radiación como esa pueda funcionar como un láser de electrones libres depende principalmente de la calidad de los haces de electrones».

— Dr. Fahim Habib, investigador principal en la instalación de investigación ELI

Observar a través de la ventana del agua biológica

La simulación apunta a rayos X blandos con longitudes de onda de entre 2,3 y 4,4 nanómetros, una región conocida en física como la ventana del agua. En estas longitudes de onda específicas, el agua permanece transparente mientras elementos como el nitrógeno y el carbono absorben la radiación con fuerza. Esto permite a los investigadores obtener imágenes de especímenes biológicos dentro de soluciones líquidas naturales sin dañarlos ni teñirlos artificialmente. La autora principal, Lily Berman, investigadora doctoral en el grupo de trabajo de Hidding en la Universidad de Strathclyde, señaló que los nuevos pulsos de electrones dentro de onduladores magnéticos pueden producir intensos destellos de rayos X en una distancia de solo unos metros.

Campos de estela del plasma y onduladores magnéticos

El montaje se basa en el láser ARCTURUS en Düsseldorf, donde pulsos de bombeo verdes alimentan cristales de titanio-zafiro para emitir luz infrarroja cercana de alta intensidad en un gas. Esta luz desencadena un campo de estela de fotocátodo de plasma que reúne y acelera rápidamente los electrones. Los paquetes de partículas acelerados entran entonces en un ondulador magnético: una matriz de imanes dipolares alternos que obliga a las partículas a seguir una trayectoria sinusoidal. A medida que los electrones oscilan, emiten radiación que agrupa a las partículas siguientes en paquetes sincronizados, desencadenando un efecto avalancha idéntico al de un láser de electrones libres. La investigación representa un posible avance para la transferencia de tecnología, al trasladar la espectroscopia de rayos X fuera de las instalaciones nacionales de sincrotrón y llevarla a los laboratorios universitarios.

Avanzar hacia un prototipo experimental

Aunque las simulaciones numéricas confirman que el sistema híbrido láser-plasma es robusto y flexible, la realización práctica sigue siendo el siguiente hito. Dr. Fahim Habib, investigador principal en ELI Beamlines en Dolní Břežany, explicó que la calidad del haz determina si el conjunto funciona como un auténtico láser de electrones libres. El equipo multinacional planea validar su invención construyendo un prototipo físico de laboratorio para pruebas experimentales en un futuro próximo.

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