El primer làser atòmic de raigs X i els cineastes moleculars

Rosalía Cid, 10 February, 2012 1

ROSALÍA CID – Avui dia, tothom està familiaritzat amb el láser i sabem de les seues aplicacions innombrables a la ciència, la indústria electrònica, la tecnologia de la informació, la medicina, l’oci… i fins i tot a altres camps més infausts com el militar. Des dels escàners de codis de barra del supermercat, passant pel nostre reproductor/enregistrador de CD, la impressora làser, el punter làser, les talladores i soldadores làser… fins a la cirurgia no invasiva, el desenvolupament del làser ha suposat una gran revolució.

El làser, l’acrònim del qual respon a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (“amplificació de la llum mitjançant una emissió estimulada de radiació”) és un aparell que emet un feix de llum (o més generalment, radiació electromagnètica) molt coherent. Això significa que es tracta d’un feix molt confinat o dirigit, que la seua llum és pràcticament monocromàtica (té una única “freqüència”, és a dir, una energia molt definida) i els fotons que el componen estan excepcionalment sincronitzats, de manera que permeten que el feix no es destruïsca al llarg d’una gran distància (coneguda com a longitud de coherència). Tot això el diferencia notablement d’altres fonts de llum habituals, ja siguen naturals o artificials, on la llum no és dirigida, sinó que es propaga en totes les direccions, ni és monocromàtica, sinó que es compon de qualsevol energia dins d’un interval i la seua devastació al augmentar la distància és notable.

Els primers làsers òptics van ser desenvolupats fa poc més de 50 anys, encara que el principi del làser té gairebé un segle i el devem a Albert Einstein, que ja va postular l’emissió estimulada. Aquesta consisteix en un fenomen quàntic en virtut del qual es pot extraure radiació d’àtoms o molècules, estimulant transicions amb fotons d’una certa energia als quals s’acobla la radiació emesa. I és que Bohr ens va ensenyar que els electrons tenen una sèrie d’estats accessibles molt concrets en els àtoms, com esglaons en una escala, i passen d’un a un altre absorbint o emetent en forma de radiació l’energia exacta que els diferencia –com si fóra la diferència d’altura entre els esgaons; no podem estar a l’esglaó tres i mig, sinó al tercer o al quart.

En els làsers convencionals, els àtoms que radiaran se situen entre dos espills, un dels quals és parcialment reflector perquè deixe passar el feix i quan els fotons incidents arranquen algun electró o els “exciten” a nivells superiors, un altre electró pot passar a ocupar el buit i emetre radiació en el procés d’una energia molt ben definida en la mateixa direcció del fotó incident i acoblada amb aquest. Com passa amb la propagació de les modes o de l’opinió pública en la nostra societat, aquest estimula els àtoms veïns a emetre fotons de la mateixa energia i així es genera un efecte dòmino que amplifica enormement la radiació.

Ara bé, els làsers desenvolupats fins ara operaven en el rang visible, en infraroig, en ultraviolat o en rangs energètics més inferiors com les ones de ràdio o les microones (coneguts com másers). Això no és més que distintes “finestres” d’energia de la radiació electromagnètica. El que ha aconseguit un grup de científics del departament d’energia del Stanford Linear Acelerator Center (SLAC) d’EUA és crear el primer feix làser atòmic de raigs X (centenars o milers de vegades més energètics que la llum visible, fet que es veia com un somni des de la invenció del làser). D’aquesta manera, s’ha aconseguit produir el pols de raigs X més pur i curt fins a l’actualitat, amb una durada de femtosegons (la milbilionèsima part d’un segon; és a dir, aproximadament hi hauria tants femtosegons en un segon com segons en uns cent mil milions d’anys). L’estudi va ser publicat en la prestigiosa revista Nature al final de gener.

L’emissió estimulada en aquest rang d’energies ha sigut possible gràcies a l’ús de polsos de raigs X extraordinàriament ràpids i intensos com els que es generen al Linac Coherent Light Source (LCLS) del SLAC National Accelerator Laboratory, a la Universitat de Standford. El LCLS és el làser de raigs X més potent del món en l’actualitat i està operatiu des del 2009, però encara que es denomine làser perquè la radiació que emet té una gran coherència, no es basa en el principi d’emissió estimulada. És el que es coneix com a làser d’electrons lliures (FEL per les sigles en anglès, o XFEL si la radiació que emet està en el domini dels raigs X) i no té res a veure amb un punter làser menut i manejable, sinó que depèn d’un accelerador de partícules gegantí d’uns 3 quilòmetres de llarg. Ja detallarem com funcionen aquests “superlàsers” en un lliurament proper.

Doncs bé, amb els potentíssims i ultracurts feixos de raigs X procedents del LCLS es va bombardejar gas neó i es va aconseguir arrancar a molts àtoms un electró de les seues capes internes i es va permetre que altres electrons de nivells superiors caigueren a ocupar-los i emeteren un fotó en el procés. Un de cada 50 d’aquests electrons emet un fotó de raigs X i a partir d’ací comença l’allau típica de l’emissió estimulada.

Un imatge artística d’un àtom de neó bombardejat per un pols de làser de raigs X, després de perdre un electró es desexcita i emet raigs X secundaris. © Greg Stewart / SLAC

I en què supera aquest làser atòmic al LCLS?, podem preguntar-nos. La resposta és que el LCLS, com que es tracta d’un XFEL, no està exempt d’un cert “soroll”, mentre que el làser atòmic, atès que funciona basant-se en un principi mecanoquàntic, és perfectament monocromàtic i els seus fotons estan totalment sincronitzats, a banda que els seus polsos són fins i tot més curts.

Les preguntes següents que ens fem són: però per a què ens serveix un làser de raigs X? I què guanyem amb aquests polsos tan curts i purs?

Respecte de la primera, cal dir que els raigs X tenen la longitud d’ona perfecta per a “veure” el món nanoscòpic i resoldre l’estructura dels àtoms, molècules… que amb un microscopi òptic no aconseguim distingir i, a més, com més monocromàtic siga el feix, més gran serà la definició de la imatge.

D’altra banda, hem de tenir en compte que el món nanoscòpic està immers en una frenesia contínua. El ritme d’execució de les simfonies i danses protagonitzades pels àtoms en vibració, les reaccions químiques o les molècules biològiques és tan convuls que seria completament imperceptible per al nostre cervell i el seu lent temps de reacció. En canvi, amb feixos de femtosegons tenim l’eina ideal per a convertir-nos en nanocineastes i filmar pel·lícules moleculars detalladíssimes en stop motion. Quasi un segle i mig després que el fotògraf Eadweard Muybridge utilitzara aquesta tècnica, gràcies a la qual va ser possible el famós estudi de la propulsió del cavall en carrera i que tan interessants fruits ha donat al cinema, ara tenim l’oportunitat de portar-la al límit per capturar els detalls de l’ultraràpid món molecular.