MADRID, 10 Mar. (EUROPA PRESS) -
Científicos han creado un haz de electrones ultracorto con una corriente pico cinco veces mayor que cualquier otro haz similar en la Tierra, y que permitirá probar hipótesis en física o ciencia de materiales.
Descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters, este logro aborda uno de los grandes desafíos de la física de haces y aceleradores de partículas y abre la puerta a nuevos descubrimientos en un amplio campo de campos científicos, incluida la química cuántica, la astrofísica y la ciencia de los materiales.
"No solo podemos crear un haz de electrones tan poderoso, sino que también podemos controlar el haz de formas que son personalizables y a pedido, lo que significa que podemos investigar una gama mucho más amplia de fenómenos físicos y químicos que nunca antes", dijo en un comunicado Claudio Emma, investigador en la Instalación para Pruebas Experimentales Avanzadas de Aceleradores (FACET-II) del SLAC National Accelerator Laboratory y autor principal del nuevo estudio.
EL EQUILIBRIO DE HACES
Como se describe en la hoja de ruta de la física de haces y aceleradores publicada en 2022, uno de los mayores desafíos para los físicos, hasta ahora, ha sido producir haces de electrones que sean mucho más potentes y que al mismo tiempo preserven la calidad del haz.
Tradicionalmente, se utiliza un campo de microondas para comprimir y enfocar el haz de electrones. Los electrones dentro del campo están escalonados, de modo que los que están más atrás tienen más energía que los que están al frente. Es algo así como si los corredores estuvieran escalonados al comienzo de una carrera de pista, explicó Emma. "Luego los enviamos por una curva, de modo que los electrones de atrás alcanzan a los electrones de adelante y, luego, al final, tienes un montón de electrones juntos en un haz enfocado".
El problema con este enfoque es que, a medida que aceleran, los electrones emiten radiación y pierden energía, por lo que la calidad del haz se deteriora. Eso crea un equilibrio entre la energía del haz y la calidad. "No podemos aplicar métodos tradicionales para comprimir haces de electrones a escala submicrónica y, al mismo tiempo, preservar la calidad del haz", dijo Emma.
LOS LÁSERES SON LA CLAVE
Para resolver este problema, los investigadores del SLAC comprimieron miles de millones de electrones en una longitud inferior a un micrómetro utilizando una técnica de modelado basada en láser desarrollada originalmente para láseres de electrones libres de rayos X, como la fuente de luz coherente Linac (LCLS) del SLAC. "La gran ventaja de utilizar un láser es que podemos aplicar una modulación de energía que es mucho más precisa que la que podemos hacer con los campos de microondas", dijo Emma.
Pero no es tan simple como disparar unos pocos láseres a través de un túnel. "Tenemos una máquina de un kilómetro de largo y el láser interactúa con el haz en los primeros 10 metros, por lo que hay que conseguir la forma exacta, luego hay que transportar el haz durante otro kilómetro sin perder esta modulación y hay que comprimirlo", dijo Emma. "Así que no fue fácil".
Después de varios meses de pruebas y perfeccionamiento de su técnica de modelado láser, Emma y su equipo ahora pueden producir repetidamente haces de electrones de alta energía, con una duración de femtosegundos y una potencia pico de petavatios, que son aproximadamente cinco veces más altos en corriente que lo que se podía lograr anteriormente.
Este nuevo haz permitirá a los científicos investigar toda una serie de fenómenos naturales, incluida la prueba de hipótesis en física cuántica, ciencia de materiales y astrofísica.
En astrofísica, por ejemplo, este haz puede dirigirse a un objetivo sólido o gaseoso para crear un filamento similar a los que se ven en las estrellas. "Los científicos saben que estos filamentos se producen, pero ahora podemos probar cómo se producen y evolucionan en el laboratorio con un nivel de potencia que no hemos tenido antes", dijo Emma.