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Crean el primer acelerador de partículas de sobremesa

Investigadores escoceses han producido un mini acelerador de partículas que acciona un láser: podría ser un primer paso hacia la creación de fuentes de rayos X de sobremesa. Además, especialistas chinos han logrado un avance similar, desarrollando un equipo de láser de electrones libres que apenas supera los diez metros de largo.

Una novedosa forma de generar luz coherente en la zona espectral ultravioleta, que indica la posibilidad de desarrollar potentes fuentes de rayos X de sobremesa, se ha producido a partir de una investigación liderada por la Universidad de Strathclyde, en Escocia. Se trata del primer mini acelerador de partículas que acciona un láser.

La tecnología utiliza fuentes de luz basadas en haces de electrones, también conocidas como fuentes de luz de cuarta generación. Este enfoque emplea un láser de electrones libres (FEL), que al accionar un ondulador logra convertir la energía del haz de electrones en rayos X.

Una danza de electrones libres

El láser de electrones libres comparte las propiedades ópticas de los láseres convencionales, emitiendo un haz coherente de radiación electromagnética que es capaz de alcanzar una alta potencia. Sin embargo, se basa un principio físico diferente, ya que no excita electrones a distintos niveles de energía.

En cambio, emplea un haz de electrones acelerados a velocidades relativistas para generar el láser. Dichos electrones no están ligados a átomos, sino que se mueven en absoluta libertad en un campo magnético. El primer láser de electrones libres fue construido por John Madey en 1976.

De acuerdo a una nota de prensa, la nueva tecnología para producir radiación coherente podría revolucionar las fuentes de luz. Lo más interesante es que podría volverlas compactas, llevándolas a un tamaño que haría posible utilizarlas sobre una mesa. La reducción de tamaño no afectaría su potencia: serían capaces de producir pulsos de luz de duración ultracorta, con una eficiencia superior a la que puede alcanzarse con otras tecnologías.

Accesibles para las universidades

En un láser de electrones libres, el agrupamiento de electrones provoca la amplificación de la luz y el aumento de su coherencia. La luz coherente es aquella que está formada por ondas luminosas con una fase afín, y que por lo tanto conservan una relación permanente.

Sin embargo, este efecto suele llevar mucho tiempo, haciendo necesario el uso de onduladores que pueden tener más de cien metros de largo. Los aceleradores que impulsan estos láseres de electrones libres para producir rayos X tienen kilómetros de longitud, una condición que los vuelve poco prácticos y costosos. Ahora, la nueva investigación que se ha publicado en Scientific Reports podría volverlos accesibles para cualquier universidad o centro académico.

Tema relacionado: Un acelerador de partículas de bolsillo trabaja casi a la velocidad de la luz.

En una habitación

En el mismo sentido, una investigación realizada en el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai, en China, ha logrado emplear un pequeño acelerador para alimentar un dispositivo que utiliza también la tecnología de láser de electrones libres (FEL). El equipo, con una longitud de 12 metros, podría marcar otro gran avance en el terreno de los mini aceleradores de partículas.

Según una nota de prensa de la Academia de Ciencias de China, el nuevo dispositivo se puede emplear para detectar la estructura interna de los materiales o estudiar el proceso de interacción de la luz con átomos, moléculas y materias condensadas. Ambas áreas de estudio podrían conducir a avances en áreas como la física, la química, la biología estructural, la medicina, el diseño de materiales o la energía.

El nuevo estudio, publicado en la revista Nature, destaca que el láser de electrones libres desarrollado en China utiliza una cadena de tres onduladores de 1,5 metros de largo. Gracias a esto, el equipo es lo suficientemente pequeño como para caber en una habitación de generosas dimensiones.

Para tener una idea de las diferencias en los tamaños, el primer láser de rayos X del mundo, el Linac Coherent Light Source (LCLS), que fue presentado en 2009, requiere un acelerador lineal de 3 kilómetros de largo para poder funcionar.

Referencia

Vacuum ultraviolet coherent undulator radiation from attosecond electron bunches. Brunetti, E., van der Geer, B., de Loos, M. et al. Scientific Reports (2021).DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-021-93640-8

Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator. Wang, W., Feng, K., Ke, L. et al. Nature (2021).DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03678-x

Foto: desde el objetivo láser (izquierda) hasta los onduladores (azul) y el espectrómetro electromagnético (derecha), el novedoso láser de electrones libres creado por los especialistas chinos mide solo 12 metros de longitud. Crédito: Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai.

Pablo Javier Piacente

Pablo Javier Piacente

Pablo Javier Piacente es periodista especializado en comunicación científica y tecnológica.

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