Resumen:
El equipo de investigación europeo XFEL (European XFEL) anunció que generó con éxito un destello de rayos X duros ultracorto que duró sólo unos 300 attosegundos y estableció un récord mundial para este tipo de pulsos en términos de intensidad y densidad de energía. Se espera que este resultado ayude a los científicos a observar el comportamiento dinámico de los electrones dentro de átomos y moléculas con una precisión sin precedentes. Los resultados de la investigación correspondiente se publicaron en "Optica".
Los científicos han esperado durante mucho tiempo comprender el movimiento de los electrones en átomos y moléculas, para poder obtener una comprensión más profunda de las reacciones químicas e incluso lograr un control activo del comportamiento de los electrones en el futuro. Los rayos X son una herramienta importante para estudiar el movimiento de los electrones, pero la radiación de alta energía en sí misma también puede cambiar la muestra que se está analizando, por lo que los investigadores deben obtener suficiente información antes de que se produzcan cambios notables en la muestra.
En este experimento, el equipo de investigación centró los pulsos de rayos X en un área extremadamente pequeña, que es aproximadamente una cienmilésima parte de la sección transversal de un cabello humano normal. Cada pulso dura unos 300 attosegundos, lo que equivale sólo a una milmillonésima de milmillonésima de segundo. El experimento se completó en abril de 2026 en la estación experimental MID de la instalación europea XFEL, utilizando rayos X duros con longitudes de onda extremadamente cortas.
Yan Jiawei, científico del Centro Alemán de Sincrotrón de Electrones (DESY) que participó en la investigación, dijo que el equipo había demostrado pulsos de attosegundos de rayos X duros a nivel de teravatios hace unos años, pero generar pulsos fuertes es solo el primer paso. Lo realmente importante es poder entregar eficazmente esta energía a la muestra experimental. Con este avance, los científicos han podido utilizar rayos X de nivel de attosegundos para estudiar la interacción altamente no lineal entre los rayos X y la materia.
Para lograr un enfoque extremo, los investigadores utilizaron un sistema óptico avanzado Kirkpatrick-Baez (AKB) de Japón. Cada pulso de rayos X sufre cuatro reflexiones, con dos espejos de ultra alta precisión responsables del enfoque vertical y horizontal respectivamente. En última instancia, los rayos X se comprimen en una pequeña área focal de sólo 180 x 330 nanómetros.
Basándose en los cálculos de energía del pulso, duración y tamaño del foco, el equipo de investigación estimó que su intensidad máxima excedía los 10²⁰W por centímetro cuadrado. Ichiro Inoue, investigador de la Universidad de Tokio, afirmó que este resultado rompe el récord mundial de pulsos de attosegundos de rayos X duros en términos de intensidad y flujo de energía. Entre ellos, el flujo de energía se utiliza para medir la energía recibida por unidad de área, mientras que la intensidad refleja además la rapidez con la que se libera esta energía.
Para verificar este cálculo, los investigadores irradiaron estos pulsos ultraintensos sobre muestras de láminas de cobre. Los rayos X eliminan electrones de la capa interna profunda de los átomos de cobre, formando electrones vacíos. Cuando otros electrones llenan estas vacantes, se libera nueva radiación de rayos X. A una intensidad suficientemente alta, estas radiaciones pueden inducir a otros átomos de cobre excitados a emitir más rayos X en la misma dirección, creando un fenómeno conocido como emisión espontánea amplificada (ASE), logrando amplificar la señal.
Anders Madsen, jefe de la Estación Experimental MID, dijo que observar este fenómeno fue casi mágico. La fluorescencia normal se emite en todas direcciones, independientemente de la dirección del haz incidente; cuando se excede el umbral ASE, los investigadores pueden ver claramente que el haz se contrae gradualmente y se concentra en la dirección de avance.
Los resultados experimentales muestran que a medida que aumenta la energía del pulso, la señal ASE inicialmente aumenta rápidamente y luego tiende a saturarse a energías más altas. Los investigadores señalaron que este fenómeno de saturación sólo ocurre con intensidades de rayos X extremadamente altas, lo que proporciona una verificación independiente de las intensidades ultraaltas calculadas previamente.
El XFEL europeo planea recibir e instalar su propio sistema de enfoque AKB a principios de 2027. Los investigadores dijeron que una vez que el sistema esté instalado y depurado, los equipos de investigación científica de todo el mundo podrán utilizar la estación experimental MID para obtener el mismo destello de rayos X corto y potente, abriendo nuevas posibilidades para la física ultrarrápida, la ciencia de materiales, la cinética de reacciones químicas y la investigación científica de rayos X no lineales.
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