Miden las ondas de rayos X más complejas generadas hasta la fecha

Un equipo científico internacional ha conseguido realizar una medida experimental de rayos X con polarización circular, las ondas de radiación electromagnética más complejas que se han generado hasta ahora. La revista científica Science Advances ha publicado los resultados de este trabajo liderado por la Universidad de Colorado (EE UU) y en el que han participado físicos de la Universidad de Salamanca.

Los autores son especialistas en la generación de láseres de rayos X. Los láseres son dispositivos que producen luz de forma ordenada y tienen múltiples aplicaciones, mientras que los rayos X son radiación electromagnética capaz de atravesar tejidos y proporcionar imágenes útiles, por ejemplo, en medicina. Conseguir láseres de rayos X puede suponer un gran avance para la nanotecnología, ya que permite estudiar la naturaleza en dimensiones extremadamente pequeñas, a nivel molecular e incluso atómico.

El control de la polarización de la luz es un factor importante para este tipo de aplicaciones, ya que la naturaleza responde de distintas maneras según la polarización de la radiación que la ilumine. La polarización de la luz no es más que la dirección en la que oscilan las ondas electromagnéticas que la componen.

Las fuentes convencionales de luz (el sol, bombillas, fluorescentes…) emiten luz no polarizada, es decir, la radiación emitida oscila indistintamente en cualquier dirección. Para conseguir luz polarizada a partir de ellas, se emplean polarizadores. Por ejemplo, unas gafas polarizadas filtran la luz al dejar pasar solo los fotones cuya vibración electromagnética se produce en una determinada dirección. Por otro lado, una característica muy importante de los láseres es que por defecto emiten luz polarizada linealmente.

Pero la polarización no solo es lineal, también puede ser elíptica o circular, y del mismo modo que existen dispositivos para obtener luz polarizada linealmente, existen para obtener luz polarizada elíptica o circularmente. Con ellos, a partir de radiación láser se puede obtener luz con distintos estados de polarización. Sin embargo, estos dispositivos que modifican la polarización son muy ineficientes con los rayos X, y resulta prácticamente imposible obtener rayos X circulares a partir de rayos X polarizados linealmente.

La primera técnica para conseguir un láser de rayos X de polarización circular se describió en los años 90 de forma teórica, pero faltaba la tecnología necesaria para generarlo, lo que se logró hace poco más de dos años. Estos rayos X se emiten en forma de pulsos de attosegundo (la trillonésima parte de un segundo, 10^-18 segundos) y ahora “por primera vez se han podido medir experimentalmente”, explica Carlos Hernández García, científico de la Universidad de Salamanca que colaboró en esta investigación durante su estancia en el Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de Boulder, en Colorado.

Pulsos distintos

“Los pulsos de attosegundo generados hasta la fecha estaban polarizados linealmente a lo largo de una única dirección, pero en este caso cada pulso oscila en una dirección distinta y lo hace con una rotación de 120º con respecto al anterior y al siguiente”, comenta el investigador. Estos pulsos de attosegundo tan complejos son el resultado de combinar dos haces de rayos X polarizados circularmente y con frecuencias ligeramente diferentes, pero de manera que en uno de ellos la polarización gira en sentido de las agujas del reloj, y en el otro a la inversa.

Si ya resulta muy complicado medir pulsos de attosegundo que oscilan en una sola dimensión, aún resulta más complicado medir pulsos que oscilan en dos dimensiones. Esta complejidad añadida ha supuesto un auténtico reto a la hora de medir estos rayos X especiales. “Para realizar la medida, hemos observado cómo estos pulsos arrancan electrones en un material, en este caso en cobre”, comenta Hernández García. Al analizar la distribución tridimensional de esos electrones arrancados, los científicos son capaces de reconstruir la forma de estos pulsos de rayos X. De este modo, se ha realizado una reconstrucción tomográfica en 3D de los primeros pulsos de rayos X generados con polarización circular.

La aportación del Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL), liderado por Luis Plaja, se ha centrado en la simulación teórica, fundamental para corroborar los datos experimentales.

De cara a futuras aplicaciones, contar con rayos X con polarización circular puede ofrecer valiosa información sobre la estructura de la materia en 3D y a escala nanométrica. “Hay materiales que responden de forma distinta cuando la polarización de la luz es diferente, por ejemplo, las moléculas quirales, que no se diferencian en su composición química pero están invertidas especularmente, como las imágenes de los espejos”, recuerda Hernández García.