Se enciende el láser de rayos X más potente jamás creado

Durante muchos años, los científicos del SLAC National Accelerator Laboratory, se han estado preparando para aprovechar al máximo el LCLS II.

Un avanzado dispositivo capaz de generar hasta un millón de destellos de rayos X por segundo. Esta cifra es impresionante, ya que es 8,000 veces mayor que la capacidad de su predecesor.

El láser de Rayos X más potente del mundo

Listo para capturar reacciones químicas con detalles sin precedentes. El propósito de esta tecnología es revolucionar la investigación de procesos ultrarrápidos a nivel atómico, que desempeñan un papel fundamental en una amplia variedad de campos, como la ciencia de materiales cuánticos, la tecnología de energía limpia y la medicina.

Un impresionante avance en el campo de la física y la tecnología láser se ha materializado en California, donde científicos han logrado transformar un láser de rayos X en la máquina más poderosa de su tipo en el mundo.

Este láser, conocido como LCLS-II, se encuentra en Menlo Park, California, y ha demostrado ser capaz de producir un asombroso millón de pulsos de rayos X por segundo, lo que permitirá estudiar fenómenos ultrarrápidos a nivel atómico con un nivel de detalle sin precedentes.

Con este novedoso instrumento, los científicos están ansiosos por adentrarse en la exploración de procesos químicos y físicos que ocurren en tiempos increíblemente cortos, como las cargas eléctricas que se desplazan alrededor de los átomos durante una reacción química.

Estos estudios podrían arrojar luz sobre secretos tan fundamentales como la fotosíntesis y contribuir al desarrollo de nuevos materiales electrónicos para sistemas informáticos de última generación.

La Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS-II) : un logro científico 

Ubicado en las colinas sobre la Bahía de San Francisco, este láser de rayos X de vanguardia está llevando a cabo investigaciones revolucionarias. La Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), como se llama el láser, ha experimentado una notoria transformación.

Originalmente construido hace más de una década, el LCLS ya era una herramienta poderosa que permitía a los científicos estudiar proteínas y fabricar mejores materiales. Sin embargo, los administradores del LCLS en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Menlo Park, California, se han embarcado en una monumental actualización conocida como LCLS-II.

La construcción de esta actualización ha tardado casi una década de trabajo, una inversión de 1.100 millones de dólares y la revitalización de un antiguo acelerador de partículas.

Este acelerador lineal, inicialmente construido en la década de 1960, fue una vez el núcleo de la investigación en SLAC, y a lo largo de los años, se han realizado investigaciones que han llevado a la obtención de cuatro premios Nobel.

Sin embargo, a finales del siglo pasado, el acelerador había quedado obsoleto y no podía competir con los modernos colisionadores circulares en laboratorios como Fermilab y el CERN. Fue entonces cuando se comenzaron a buscar nuevos propósitos para esta infraestructura.

Transformando un Túnel de Partículas en un Potente Láser de Rayos X

La idea que desencadenó esta transformación fue innovadora: la posibilidad de ajustar el haz de partículas para que sea altamente preciso y luego hacerlo pasar a través de una serie de imanes.

Esto permitiría crear un láser de rayos X verdaderamente transformador. El LCLS es lo que se conoce como un láser de rayos X de electrones libres, que opera de manera distinta a los láseres convencionales.

Mientras que un láser típico amplifica la luz excitando los átomos de un material específico, como el vidrio o el cristal, un láser de electrones libres produce luz al forzar grupos de electrones de alta energía a través de una serie de imanes alternados. A medida que estos electrones se desplazan, emiten fotones, y para generar suficientes fotones en longitudes de onda de rayos X se requiere un guante muy largo llamado "ondulador".

La ubicación del antiguo túnel de acelerador de partículas resultó ideal para albergar este novedoso láser de rayos X de electrones libres. Se aprovechó la infraestructura preexistente para convertirla en una máquina capaz de generar rayos X extremadamente brillantes y rápidos, en la escala de femtosegundos.

Estos pulsos de rayos X ultracortos permiten a los investigadores observar átomos individuales en movimiento, captar el proceso de formación y ruptura de enlaces moleculares, e incluso estudiar la excitación de los electrones en los orbitales.

Esta tecnología tiene aplicaciones significativas, como el estudio de materiales cuánticos utilizados en dispositivos espintrónicos, donde se manipulan los espines de los electrones para lograr una electrónica más eficiente.

Más brillante y veloz: El LCLS-II

El LCLS original ya era mil millones de veces más brillante que cualquier láser de rayos X anterior y podía realizar hazañas como grabar películas moleculares. Sin embargo, su limitación clave residía en su capacidad para disparar solamente alrededor de 120 pulsos por segundo, lo que era insuficiente para observar sistemas biológicos y procesos catalíticos en tiempo real.

La solución a este desafío se ideó incluso cuando el LCLS era relativamente nuevo. Los ingenieros trabajaron en la reducción de la pérdida de energía del acelerador mediante la aplicación estratégica de superconductores. Esto implicó la necesidad de mantener temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que a su vez requería una renovación completa del túnel del acelerador. El proceso de transformar el LCLS en el LCLS-II se inició en 2016.

La actualización incluyó la construcción de un nuevo acelerador superconductor y la instalación de 37 crió módulos que contienen niobio, los cuales deben mantenerse a una temperatura de 2 kelvin (alrededor de -271°C) mediante el suministro continuo de helio líquido refrigerante. Además, se incorporaron dos nuevos onduladores, cada uno vinculado a un acelerador independiente.

El acelerador "frío" está destinado a producir rayos X suaves con longitudes de onda más largas, mientras que el acelerador "caliente" restante del LCLS original ahora alimenta un segundo ondulador, que genera rayos X duros con longitudes de onda más cortas y mayor energía.

Una Colaboración Internacional para el LCLS-II

Para llevar a cabo esta transformación, varios laboratorios en los Estados Unidos y en el mundo se unieron en un esfuerzo colaborativo. Instituciones como Fermilab en Illinois y Jefferson Lab en Virginia proporcionaron el acelerador superconductor, mientras que el Laboratorio Nacional Argonne en Nueva York y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California trabajaron juntos en la construcción de los onduladores.

La colaboración también se extendió al ámbito internacional, ya que el laboratorio alemán DESY, que opera el láser de electrones libres de rayos X más grande de Europa, compartió valiosa tecnología.

En conclusión, el LCLS-II representa un hito trascendental en la investigación de rayos X, brindando a los científicos la capacidad de realizar hasta 1 millón de pulsos de rayos X por segundo, lo que es 10,000 veces más brillante que su predecesor.

Este logro marca un gran avance en la ciencia y la tecnología láser, permitiendo estudiar procesos ultrarrápidos a nivel atómico con un nivel de detalle sin precedentes. Con aplicaciones que van desde el estudio de la fotosíntesis hasta el desarrollo de materiales electrónicos de vanguardia, el LCLS-II promete impulsar la investigación científica en una amplia gama de campos y acelerar el avance de la ciencia.

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