Nuevas rutas hacia el láser de rayos X

Investigadores del Grupo de Óptica Extrema de la Universidad de Salamanca (USAL) y el Centro de Láseres Pulsados de la misma ciudad publican un artículo en la revista Science que abre la puerta a generar rayos X a partir de radiación ultravioleta, algo totalmente inesperado hasta ahora por los científicos.

Este hallazgo, realizado en colaboración con la Universidad de Colorado y otros centros de Estados Unidos y Taiwán, se suma a otras recientes publicaciones de este equipo para mejorar las características de los láseres de rayos X, una de las quimeras de la óptica, con importantes aplicaciones tecnológicas.

Los rayos X son radiación electromagnética de alta energía y, como tal, son capaces de atravesar tejidos y proporcionar imágenes de alta resolución para fines médicos, por ejemplo, comprobar si hay una fractura de huesos. Los láseres, por otro lado, son dispositivos capaces de producir luz de forma extraordinariamente ordenada, permitiendo usar su regularidad para aplicaciones de gran precisión, como la medida de distancias de alta resolución, el almacenamiento compacto de la información, la identificación de materiales a distancia o la observación de fenómenos ultrarrápidos de la naturaleza, entre otras.

La construcción de láseres de rayos X permitiría mejorar estos aspectos de forma drástica, aumentando en más de mil veces las prestaciones actuales de resolución, tanto en el espacio como en el tiempo.

Dentro de las diferentes estrategias que a día de hoy se siguen para el desarrollo de los láseres de rayos X, las investigaciones desarrolladas por este equipo internacional persiguen métodos que permitan convertir la radiación de un láser habitual de luz infrarroja en rayos X, mediante un proceso de multiplicación de frecuencia. La clave consiste en inducir la absorción de muchos fotones de baja energía (infrarrojos) en un material, para que posteriormente emita un solo fotón de mucha mayor energía (rayos X).

“Hasta ahora parecía demostrado que el proceso más eficiente pasaba por convertir un número muy elevado de fotones infrarrojos en uno de rayos X”, explica a Luis Plaja, investigador de la USAL, «pero hemos demostrado que no siempre es así, y que la absorción de un menor número de fotones de energía mayor, ultravioleta, puede ser incluso más eficiente».

Para ello los autores de este trabajo proponen iluminar un gas con un láser ultravioleta de alta intensidad (en lugar del infrarrojo), de manera que los átomos que lo componen se vean despojados prácticamente de todos sus electrones de su capa externa. El gas altamente ionizado resulta ser muy transparente, de forma que permite que la multiplicación de frecuencia se lleve a cabo en un volumen de material mucho mayor.

En los experimentos que realizó con láseres ultravioleta el Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de la Universidad de Colorado en Boulder, los físicos “vieron que se producían rayos X de demasiada energía, era inexplicable”. Carlos Hernández García, investigador de la USAL que ha trabajado allí durante dos años, realizó las simulaciones teóricas que permitieron comprenderlo.

Un hallazgo en contra de la intuición

Este hallazgo parece ir en contra de la intuición, así que constituye una auténtica sorpresa, tal y como expresa el título del artículo del artículo (Ultraviolet Surprise: Efficient Soft X-ray High Harmonic Generation in Multiply-Ionized Plasmas). “Se pensaba que la mejor forma de lograr rayos X coherentes era con láseres infrarrojos y ahora demostramos que también es muy bueno utilizar láseres intensos de radiación ultravioleta, donde los fotones son más energéticos y más numerosos, de manera que el proceso también es eficiente”, comenta el investigador.

Es el camino para generar por láser rayos X duros, los de mayor energía, que son los que tienen potenciales aplicaciones biomédicas. En cualquier caso, el dominio del láser como nueva fuente de esta radiación tiene prometedoras aplicaciones, como la medición de moléculas extremadamente pequeñas.

Pero este importante avance no es el único que ha logrado recientemente este grupo internacional. Recientemente, la revista Nature Photonics ha publicado los resultados de una nueva colaboración, que ha demostrado que el proceso de multiplicación de frecuencia permite el control de la polarización de la luz de alta energía. Generalmente la polarización, la dirección en la que la vibración electromagnética de la luz oscila, no tiene por qué estar bien definida.

Existen materiales, como los cristales de las gafas polarizadas, que son capaces de filtrar la luz seleccionando sólo aquellos fotones cuya vibración electromagnética asociada tiene una dirección bien definida. Entre las diferentes posibilidades de polarización, existe aquella en la que la dirección de la vibración gira en el tiempo, como si fuera una aguja de un reloj.

Este tipo de polarización del campo electromagnético se denomina circular, y se utiliza, entre otras cosas, para identificar simetrías en las moléculas de los materiales. Estas simetrías conllevan un comportamiento químico diferente en moléculas que, por lo demás, tienen la misma composición. Por su naturaleza penetrante, es difícil diseñar filtros ópticos capaces de cambiar la polarización de los rayos X. En lugar de ello, el equipo de investigadores ha diseñado y demostrado experimentalmente la posibilidad de generar radiación láser de alta frecuencia (cercana a los rayos X) que posea directamente polarización circular.

Para ello, es necesario combinar varios haces de luz láser que, tras multiplicar su frecuencia en el blanco gaseoso, resultan en un solo haz de alta energía y de polarización circular. Al igual que la investigación anterior, Carlos Hernández García participó en el diseño de este experimento y realizó las simulaciones cuando estaba en JILA y los resultados fueron corroborados por los experimentos.

“Otra manera de ver la materia”

Disponer de rayos X polarizados circularmente puede servir para caracterizar materiales magnéticos que no se han podido analizar hasta ahora. Existen materiales denominados dicroicos cuyas propiedades dependen del estado de polarización de la luz que interacciona con ellos y mediante rayos X polarizados linealmente no se pueden estudiar. Aunque en los grandes aceleradores de partículas conocidos como sincrotrones sí es posible generar radiación X polarizada circularmente, hacerlo con láser permite observar lo que pasa en la materia a velocidades ultrarrápidas.

Será “otra manera de ver materia” que afectará, por ejemplo, al estudio de las moléculas quirales, que no se diferencian en su composición química pero cuyas estructuras están invertidas especularmente, como las imágenes en los espejos. El primer paso será observar y el siguiente será controlar y “el control es el primer paso hacia la tecnología”, asegura Luis Plaja.

En cualquier caso, el tipo de haz de luz que genera un láser determina la posibilidad de manipular materiales. Una opción aún más compleja son los vórtices o remolinos de luz, así que los científicos del grupo ALF-USAL se han preguntado cómo se generarían rayos X en estas circunstancias y también han publicado hace pocas semanas los resultados, en la revista New Journal of Physics.

Es la primera vez que se analiza este proceso y se ha hecho desde un punto de vista muy parecido al de la polarización de la luz: actuar en la generación para que el haz de luz tenga la estructura deseada. Los vórtices tienen un enorme atractivo en varias disciplinas de la física y en el caso de la óptica, pueden servir para atrapar partículas dentro de un haz de luz e incluso codificar información.