Imagine obtener una radiografía médica que se pone en blanco, como si sus huesos hubieran desaparecido. Eso fue lo que sucedió cuando los científicos aumentaron la intensidad del primer láser de rayos X del mundo, en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía,para ver mejor una muestra que estaban estudiando: las radiografías parecían atravesarla como si no estuviera allí.
Este resultado fue tan extraño que el líder del experimento, el profesor de SLAC Joachim Stöhr, dedicó los próximos tres años a desarrollar una teoría que explique por qué sucedió. Ahora su equipo ha publicado un artículo en Cartas de revisión física que describe el experimento de 2012 por primera vez.
Lo que vieron fue un llamado efecto no lineal en el que más de un fotón, o partícula de luz de rayos X, ingresa a una muestra al mismo tiempo, y se unen para causar que sucedan cosas inesperadas.
"En este caso, los rayos X movieron los electrones en la muestra y los hicieron emitir un nuevo haz de rayos X que era idéntico al que entró", dijo Stöhr, investigador del Instituto Stanford paraMateriales y Ciencias de la Energía en SLAC. "Continuó por el mismo camino y golpeó un detector. Por lo tanto, desde el exterior, parecía que un solo haz atravesaba y la muestra era completamente transparente".
Este efecto, llamado "dispersión estimulada", nunca antes se había visto en los rayos X. De hecho, tomó un haz extremadamente intenso de la fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC, que es mil millones de veces más brillante que cualquier X-fuente de rayos antes, para que esto suceda.
Un hito en la comprensión de cómo la luz interactúa con la materia
La observación es un hito en la búsqueda para comprender cómo la luz interactúa con la materia, dijo Stöhr.
"¿Qué haremos con él? Creo que estamos empezando a aprender. Este es un fenómeno nuevo y no quiero especular", dijo. "Pero abre la puerta al control de los electrones que estánmás cerca del núcleo de los átomos, elevándolos a orbitales superiores, y volviéndolos a bajar de una manera muy controlada, y haciendo esto una y otra vez "
Los efectos ópticos no lineales no son nada nuevo. Fueron descubiertos en la década de 1960 con la invención del láser, la primera fuente de luz tan brillante que podía enviar más de un fotón a una muestra a la vez, provocando respuestas que parecían descartadasen proporción a la cantidad de energía luminosa que entra. Los científicos usan estos efectos para cambiar la luz láser a energías mucho más altas y enfocar los microscopios ópticos en objetos mucho más pequeños de lo que cualquiera hubiera creído posible.
La apertura en 2009 de LCLS como una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE introdujo otra herramienta fundamentalmente nueva, el láser de rayos X de electrones libres, y los científicos han pasado mucho tiempo desde entonces descubriendo exactamente lo que puede hacer. Por ejemplo, un equipo dirigido por SLAC publicó recientemente el primer informe de efectos no lineales producidos por sus pulsos brillantes.
"El láser de rayos X es realmente un salto cuántico, el equivalente a pasar de una bombilla a un láser óptico", dijo Stöhr. "Así que no es solo que tengas más rayos X. La interacción de los rayos X-los rayos con la muestra son muy diferentes y hay efectos que nunca podría ver en otros tipos de fuentes de luz de rayos X ".
Un resultado más desconcertante
Stöhr tropezó con este último descubrimiento por accidente. Luego, director de LCLS, estaba trabajando con Andreas Scherz, un científico del personal de SLAC, que ahora está con el XFEL europeo que pronto abrirá en Hamburgo, Alemania, y el estudiante graduado de Stanford BennyWu para ver la estructura fina de un material magnético común utilizado en el almacenamiento de datos.
Para mejorar el contraste de su imagen, sintonizaron el haz LCLS a una longitud de onda que resonaría con átomos de cobalto en la muestra y amplificaría la señal en su detector. Los resultados iniciales se veían geniales. Entonces aumentaron la intensidad del láserhaz con la esperanza de hacer que las imágenes sean aún más nítidas.
Fue entonces cuando el patrón moteado que habían estado viendo en su detector quedó en blanco, como si la muestra hubiera desaparecido.
"Pensamos que tal vez habíamos perdido la muestra, así que verificamos la alineación e intentamos nuevamente", dijo Stöhr. "Pero siguió sucediendo. Sabíamos que esto era extraño, que había algo aquí que necesitaba ser entendido".
Stöhr es un experimentalista, no un teórico, pero estaba decidido a encontrar respuestas. Él y Scherz se sumergieron profundamente en la literatura científica. Mientras tanto, Wu terminó su tesis doctoral, que describió el experimento y su resultado inesperado, y pasó a untrabajo en la industria, pero el equipo se demoró en publicar sus resultados experimentales en una revista científica hasta que pudieran explicar lo que sucedió.
Stöhr y Scherz publicaron su explicación el otoño pasado Cartas de revisión física .
"Estamos desarrollando un campo completamente nuevo de la ciencia de rayos X no lineal, y nuestro estudio es solo un componente básico en este campo", dijo Stöhr. "Básicamente estamos abriendo la caja de Pandora, aprendiendo sobre los diferentes efectos no lineales, yeventualmente algunos de ellos resultarán ser más importantes que otros "
El estudio incluyó a otros colaboradores de SLAC y Stanford, y fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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