viernes, 23 de agosto de 2013

Crean el primer láser de rayos x basado en un sólido

Un grupo de investigadores ha creado por primera vez un láser de rayos x basado en un sólido. Esta tecnología hace posible analizar muestras sensibles que son rápidamente destruidas por la intensa luz de rayos x.

A diferencia de los diodos láser de los reproductores DVD caseros, tiene Unlike laser diodes in home DVD players, hasta ahora no ha sido posible construir láseres de rayos x como dispositivos compactos basados en un sólido. Por un motivo simple, la energía necesaria para excitar el medio de laser es demasiado alta. Además, la excitación debe ser de tan alta intensidad que no puede ser implementada en un dispositivo compacto. Por esta razón, los láseres de rayos x son normalmente grandes piezas de equipo alimentadas por un acelerador de partículas. los electrones de alta energía del acelerador, casi a la velocidad de la luz, son enviados por potentes imanes a una pista de slalom apretada, emitiendo destellos de rayos x en cada curva se que suman a un pulso de luz láser. Este es conocido como el principio del láser libre de electrones (FEL).

Los investigadores usaron el FEL FLASH de DESY para excitar un cristal de silicio pra que emitiese radiación de rayos x. La alta energía de los pulsos FLASH es suficiente para para derribar un electrón relativamente fuertemente unido de la capa electrónica de cada uno de los átomos de silicio, con lo que los átomos se ionizan. Poco después, este agujero es rellenado por un electrón menos fuertemente unido, que cambia a un estado de energía más bajo. La energía liberada por este paso es, en principio, lo suficientemente grande como para generar un pequeño destello de rayos x. Sin embargo, sólo unas pocas veces no se emite en forma de (rayos X) de luz; la mayor parte de él pasa a otro electrón, el cual, debido a este impacto, se ve catapultado fuera de la capa atómica. A tales altas energías, este "proceso Auger" es mucho más frecuente que la emisión de destellos de radiación, haciendo virtualmente imposible implementar un láser convencional en el área de rayos x. Si se usan intensos pulsos de rayos x en materiales de investigación, los electrones producidos calientan enormemente la muestra, destruyéndola rápidamente.

Los científicos descubrieron una manera de suprimir el indeseado efecto Auger, y lo hicieron aprovechándose del principio láser de emisión estimulada: En un medio láser, un fotón dispara la emisión del siguiente, estimulando los dos la emisión de un fotón cada uno, etc... lo que aumentando progresivamente da lugar a un destello láser. Este proceso comienza por la emisión espontánea de un fotón. Aunque es cierto que con altas energías en el área de rayos x, la emisión espontánea de un fotón es mucho menos frecuente que en el proceso Auger, los científicos usaron la luz intensa de FLASH para ionizar tantos átomos al mismo tiempo que los raros fotones emitidos espontáneamente aún encontraron suficientes átomos ionizados para estimular la emisión de más fotones. Así pues, se desarrolló un aumento progresivo de los fotones en el cristal de silicio y gana la ventaja en el proceso Auger. De manera similar, otro grupo de investigadores ya había excitado gas neón para emitir radiación de rayos x, y haciéndolo implementó el primer láser de rayos x sobre una base atómica.

Con estre truco, el silicio emite un pulso láser de rayos x por si mismo. Sin embargo, primero debe ser excitado para hacerlo, por otro intenso láser de rayos x como FLASH y además, la luz de rayos x resultante tiene en tanto menos energía que el pulso entrante. Si bien, el método ofrece una ventaja decisiva: la luz de rayos x generada puede por si sola ser usada para estudiar el material generado, y la muestra no se caliente y por tanto, no es destruida. Al igual que los láseres, los fotones trabajan juntos y se amplifican los unos a los otros, y de esta manera se obtiene una gran señal de medida.

Gracias a esto, los investigadores fueron capaces de realizar detalladas mediciones de la estructura de la banda de valencia del material semiconductor silicio. Esto sirvió sobre todo para probar que el nuevo método arroja resultados correctos, ya que la banda de valencia del silicio ya había sido muy bien caracterizada anteriormente, y funciona exactamente igual en otros materiales. Los investigadores creen que posibilitará la observación del proceso mediante el cual un aislante se convierte en un conductor mediante conmutación óptica por otro láser. Usando este nuevo método, las fuentes de rayos x pueden ser atractivas para áreas de investigación que hasta ahora solo podían trabajar con dispersión de neutrones.

Via DESY

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