El futuro de los láseres de rayos X

Actualmente solo se puede producir radiación láser en unos pocos sitios en el mundo, pero con este nuevo avance, quizá en poco tiempo sean mucho más accesibles para la comunidad científica.

por Óscar Pérez Benito

Lo primero de todo es saber cómo funcionan los láseres de rayos x actualmente. Éstos se basan en un principio bastante básico. Quizá, si no fuiste por la rama de ciencias no te suene, pero si la elegiste, es fácil que lo hayas estudiado en bachillerato. Estoy hablando de la radiación de Larmor, por la que un cuerpo cargado que es sometido a una aceleración, emite radiación. Los láseres de rayos x actuales funcionan única y exclusivamente por este principio. A pesar de las complicaciones técnicas que tiene el fabricarlo, solo necesitan un puñado de electrones moviéndose a gran velocidad, y conseguir cambiar su dirección de manera brusca (de ahí su nombre, láser de electrones libres).

Quizá te preguntes cómo se consigue esto, y desde el punto de vista teórico vuelve a ser muy sencillo, se necesitan solo dos cosas:

  • Electrones que se muevan muy rápido, es decir, con mucha energía. Esto se consigue poniendo dos electrodos, se crea un campo eléctrico muy fuerte, y se les deja un recorrido bastante largo para que cojan velocidad.
  • Cambiar de dirección. Para esto se utilizan imanes ya que una partícula cargada moviéndose a una cierta velocidad, sufre la fuerza de Lorentz, y por tanto cambiará de dirección. Esto se hace de manera periódica para así tener varios momentos en los que se produce la radiación. 
Las letras N y S señalan los polos de imanes Norte y Sur respectivamente.

Este tipo de tecnología hace que se tengan que tener sistemas de gran tamaño, sobre todo a la hora de acelerar los electrones. Digamos que se está haciendo a lo bruto, como si vas en una bici cuesta abajo. ¿Te puedes poner a 200 km/h? Sí, pero necesitas estar bajando mucho tiempo. El campo eléctrico hace las veces de la pendiente de la cuesta, pero por muy fuerte que sea, los electrones necesitan mucho espacio para conseguir la energía suficiente para producir los rayos x, estamos hablando del orden del kilómetro.

Justo en este aspecto es en el que están surgiendo los avances, capaces de conseguir haces de electrones de muy alta energía, de manera compacta. Ésto se consigue a través de lo que se llaman plasma waves u “olas de plasma”. Por si no estás familiarizado con el término plasma, éste es un estado de la materia (como sólido, líquido o gas) un tanto particular. En este estado, los electrones se liberan de los átomos y la materia se encuentra en una especie de “nube” de iones y de electrones separados entre sí. El plasma es eléctricamente neutro, pero al tener esa separación entre iones y electrones,  se puede producir carga eléctrica y por tanto campos eléctricos de manera local. En esto precisamente se basan las plasma waves.

Para conseguirlo, se irradia con un láser de muy alta energía un gas. Toda esta energía, primero hace que el gas pase al estado de plasma, y además consigue que los iones del plasma hagan una “ola” al son de láser. Por lo que dentro del plasma se habría una oscilación de iones con carga positiva que avanza con el láser (imagina lo rápido que puede ir eso). Al igual que en la playa cuando una ola te arrastra, los electrones se quedan encerrados en esas “olas” de iones y son empujados a mucha, MUCHA velocidad. 

Esto ocurre en el orden de unas pocas longitudes de onda del láser, es decir… pocos milímetros, y la energía es comparable a la adquirida en los kilómetros de recorrido de los aceleradores de electrones usuales. Esto sin duda es un avance para que producir láseres de rayos x no se pueda hacer solo en unos pocos lugares en todo el mundo, si no que en cualquier laboratorio y quién sabe si hospitales, se pueda llegar a producir este tipo de radiación en un futuro cercano.

Referencia

GIANNESSI, Luca. A step closer to compact X-ray lasers. 2021. https://doi.org/10.1038/d41586-021-01892-1

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