Espectroscopia de rayos X con resolución atómica y de femtosegundos
Los láseres de electrones libres (FEL) de longitud de onda corta pueden generar radiación coherente de rayos X con una intensidad sin precedentes. Para combinar su alta resolución espacial con la duración ultracorta a fin de cubrir las necesidades de la caracterización 4D (espacial tridimensional y temporal) de muestras es necesario conocer y controlar la estructura y la longitud de los pulsos de rayos X. Gracias a los fondos de la Unión Europea para el proyecto SIXPAC & T-REX (Single-shot X-ray pulse duration acquisition (SiXPAc) & time-resolved X-ray spectroscopy on molecules (T-ReX)), un grupo de científicos ha encontrado una forma de recuperar esta información. El equipo desarrolló una fórmula no invasiva para caracterizar los pulsos de rayos X con una resolución inferior al femtosegundo. Para medir la duración de los pulsos de FEL, los investigadores recurrieron a la espectroscopía continua en el infrarrojo próximo. En esta técnica, bien conocida, un láser en el infrarrojo próximo se solapa con un haz de rayos X que atraviesa gas neón diluido. El FEL ioniza los átomos del gas y los fotoelectrones generados se detectan con un espectrómetro de electrones de botella magnética. La nueva técnica permite medir por primera vez la duración de pulsos de rayos X de femtosegundos con una precisión de unos 100 attosegundos, independientemente de la energía de los fotones. Se incluyó una descripción extensa del experimento en un artículo publicado en la revista de alto impacto y sometida a revisión Nature Photonics. La técnica se pudo poner a prueba gracias al valioso tiempo de haz de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS). El LCLS, que forma parte del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, es una instalación gestionada por la Universidad de Stanford en nombre del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Se trata del FEL de rayos X más potente del mundo y fue el lugar perfecto para realizar los experimentos. Los investigadores también desarrollaron una técnica para medir la inestabilidad temporal de pulso a pulso del FEL, que funciona sobre la base del principio de emisión espontánea estocástica autoamplificada. La precisión subfemtosegundo de la técnica facilitará todavía más el control de la temporización relativa de un pulso de bombeo ultravioleta (UV) que se utiliza para iniciar reacciones moleculares en una muestra y un pulso de sondeo de rayos X para visualizarlas. Después de realizar el trabajo de base, se ha iniciado el experimento de bombeo UV/sonda de rayos X en el LCLS. El equipo de SIXPAC & T-REX espera demostrar la visualización en 4D de la dinámica de la ionización del agua líquida, experimento que allanaría el camino hacia una nueva era de investigación en biología y ciencia de materiales.
Palabras clave
Espectroscopia de rayos X, tomografía electrónica, láseres de electrones libres, SIXPAX & T-REX, resolución subfemtosegundos
