Un equipo de investigación allana el camino para la creación de láseres de electrones libres compactos y económicos
El FEL de láser-plasma podría resolver el cuello de botella en los tiempos de medición de la investigación
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Los destellos de luz extremadamente cortos e intensos tienen una gran demanda para investigar átomos, moléculas y nuevos materiales. Los láseres de electrones libres (FEL) producen estos destellos. Sin embargo, en todo el mundo, el tiempo de haz disponible en las grandes instalaciones de acceso público es escaso y los tiempos de espera son largos. Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y del sincrotrón SOLEIL, cerca de París, han dado un paso decisivo en esta dirección: por primera vez, han logrado hacer funcionar un láser de plasma (FEL) de manera estable y reproducible en el denominado régimen de alta ganancia, un estado de funcionamiento en el que la radiación generada presenta una amplificación especialmente elevada.
En el ondulador, el haz de electrones procedente de un acelerador compacto de láser-plasma interactúa con un pulso láser. Esta interacción potencia la radiación FEL generada y permite obtener pulsos con mayor energía.
HZDR/Blaurock
«La estabilidad —es decir, destellos de luz que mantienen constantemente una alta calidad durante horas o incluso días— es extremadamente importante para todos los experimentos en los que se utiliza un FEL», afirma el Dr. Arie Irman, del Instituto de Física de la Radiación del HZDR. Las instalaciones convencionales a gran escala llevan mucho tiempo alcanzando esta estabilidad, pero no el FEL de láser-plasma. Ahora, tras años de investigación, el equipo de Irman ha logrado resolver este problema. Generaron destellos de luz ultravioleta con una longitud de onda de 272 nanómetros y una elevada energía de pulso. La potencia del FEL mostró el crecimiento exponencial característico del régimen de alta ganancia. «Se trata de un avance significativo en comparación con los resultados que publicamos en 2023», añade Irman.
Surfeando sobre la onda de plasma
En principio, un FEL de láser-plasma funciona como un láser de electrones libres convencional: para generar los intensos destellos de luz, los investigadores necesitan inicialmente electrones de alta energía que viajen casi a la velocidad de la luz. A continuación, estos entran en una serie de imanes, conocida como ondulador, que obliga a los electrones a seguir una trayectoria oscilante que, a su vez, hace que los electrones formen pequeños paquetes que emiten destellos de luz intensos y coherentes.
Hasta ahora, se han necesitado aceleradores a gran escala para impulsar a los electrones hasta la energía necesaria, aceleradores que pueden alcanzar hasta aproximadamente dos kilómetros de longitud. «En un FEL de láser-plasma, esta distancia puede reducirse en un factor de aproximadamente mil», afirma la Dra. Marie Labat, del Sincrotrón SOLEIL. «Los electrones, en efecto, surcan una onda de plasma». Tras recorrer tan solo unos pocos milímetros, alcanzan energías para las que un acelerador convencional necesitaría muchos metros.
La estabilidad es clave
La clave del éxito radicaba en controlar con precisión la interacción entre el láser y el plasma. Para ello, el equipo utilizó el láser de alto rendimiento DRACO del HZDR. Sus pulsos infrarrojos generaron el plasma necesario en un haz de gas de un milímetro de grosor. «Logramos ajustar con precisión el láser para que se adaptara al plasma», afirma la Dra. Susanne Schöbel, física del HZDR. Esto no fue nada fácil, ya que la interacción entre el láser y el plasma viene determinada por procesos no lineales que son difíciles de controlar. «Gracias al haz de electrones bien controlado, pudimos generar destellos intensos de luz ultravioleta de forma estable y reproducible utilizando nuestro ondulador». Una característica destacada de este proceso fue el crecimiento exponencial de la potencia de salida de la radiación, que el equipo observó por primera vez.
Sin embargo, este éxito no supone el final del proceso de desarrollo. Los investigadores quieren optimizar aún más la interacción entre el láser y el plasma, así como el recorrido del ondulador, para aumentar la calidad de los destellos de luz. «Los destellos de luz en esta longitud de onda ultravioleta son solo el principio», afirma Irman. Su próximo objetivo es la luz ultravioleta extrema (EUV). Una radiación como esta podría utilizarse, por ejemplo, para un control de calidad más eficiente de los chips informáticos nanoestructurados. Aunque sin duda pasarán unos años antes de que los FEL compactos de láser-plasma complementen a las instalaciones a gran escala, ya existe un gran interés al respecto.
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