Físicos de SLAC registran pulsos récord de rayos X duros por debajo de los 400 attosegundos

MENLO PARK, Calif. — Físicos que operan la Linac Coherent Light Source en el SLAC National Accelerator Laboratory en California han generado y medido los pulsos de rayos X de alta energía más cortos jamás registrados en un láser de electrones libres de rayos X, alcanzando duraciones por debajo de los 400 attosegundos. La medición establece un nuevo umbral operativo para las instalaciones de láseres de electrones libres en todo el mundo, comprimiendo la duración de las ráfagas de fotones de alta energía a una escala capaz de capturar los procesos electrónicos más rápidos de la materia.

## Key facts

- Físicos de la Linac Coherent Light Source (LCLS) cronometraron pulsos de rayos X duros con duraciones inferiores a 400 attosegundos, lo que marca el ancho de pulso más rápido jamás documentado en un láser de electrones libres de rayos X (XFEL). - Un attosegundo representa una trillonésima de segundo ($10^{-18}$ segundos), el régimen temporal que rige el movimiento de los electrones de capas internas dentro de átomos y moléculas. - El logro involucra rayos X duros: fotones de alta energía con longitudes de onda cortas capaces de penetrar materiales densos y resolver estructuras espaciales a escala atómica. - Los experimentos se llevaron a cabo en el SLAC National Accelerator Laboratory en Menlo Park, California, una instalación financiada por el United States Department of Energy y operada por Stanford University. - El hito se basa en técnicas progresivas de compresión de pulsos desarrolladas en instalaciones de láseres de electrones libres de todo el mundo para superar las barreras experimentales de la escala de femtosegundos.

## What happened

Según lo informado por la periodista científica Mrigakshi Dixit, los equipos experimentales que utilizan la Linac Coherent Light Source (LCLS) lograron tanto sintetizar como caracterizar directamente pulsos de rayos X duros de menos de 400 attosegundos de duración. Los rayos X duros operan a energías de fotones que suelen superar los 5 a 10 kiloelectronvoltios, caracterizados por longitudes de onda a escala de ángstroms que coinciden con las distancias entre átomos en redes químicas.

En un láser de electrones libres de rayos X, las ráfagas de luz se producen acelerando paquetes de electrones a velocidades relativistas —cercanas a la velocidad de la luz— a través de un acelerador lineal de partículas a escala kilométrica. Estos paquetes de electrones acelerados se guían posteriormente a través de onduladores, matrices periódicas de imanes permanentes alternos. A medida que los electrones atraviesan esta estructura magnética, oscilan a lo largo de una trayectoria ondulada, emitiendo radiación de sincrotrón. A través de un proceso llamado emisión espontánea autoamplificada (SASE), la luz emitida interactúa de nuevo sobre el paquete de electrones, organizando los electrones en diminutos microgrupos espaciados a la longitud de onda de los rayos X. Esta agrupación hace que la radiación se amplifique exponencialmente en un pulso láser coherente e intensamente brillante.

Históricamente, las operaciones estándar de SASE producían pulsos que duraban varias decenas de femtosegundos (un femtosegundo equivale a 1.000 attosegundos). Para adentrarse en el dominio de los attosegundos, los físicos de aceleradores despliegan técnicas especializadas de conformación del haz de electrones, como el uso de láseres ópticos de alta potencia para modular una sección localizada del paquete de electrones, junto con chicanas magnéticas ranuradas que descartan todo excepto una fracción de la carga microagrupada.

Generar un destello de rayos X duros de attosegundos es solo la mitad de la ecuación de ingeniería; medirlo representa un obstáculo técnico igualmente complejo. Los fotodetectores convencionales operan en escalas de nanosegundos o picosegundos y no pueden resolver sucesos separados por trillonésimas de segundo. Para confirmar la marca inferior a los 400 attosegundos, el grupo de investigación tuvo que implementar métodos de diagnóstico ultrarrápidos, utilizando habitualmente técnicas de difuminado angular o espectrómetros de electrones de alta resolución para reconstruir el perfil temporal de los rayos X a partir de fotoelectrones secundarios expulsados de un gas objetivo.

## Why it matters

La capacidad de producir pulsos de rayos X duros por debajo de los 400 attosegundos supera un dilema físico histórico entre la resolución espacial y temporal en la dinámica molecular. En la naturaleza, los movimientos de los núcleos atómicos ocurren principalmente en la escala temporal de los femtosegundos, lo que corresponde a las vibraciones de los enlaces químicos y los reordenamientos moleculares. Sin embargo, los electrones que median en estos enlaces se mueven sustancialmente más rápido, regidos por la escala de los attosegundos. Un electrón que orbita el núcleo de un átomo de hidrógeno, por ejemplo, requiere aproximadamente 151 attosegundos para completar una sola vuelta orbital.

Hasta hace poco, la ciencia de los attosegundos estaba confinada en gran medida a sistemas láser de sobremesa de generación de armónicos de alto orden (HHG). Aunque los sistemas HHG producen de manera rutinaria pulsos de attosegundos, generan principalmente fotones de baja energía en el ultravioleta extremo (EUV) o rayos X blandos. Estos fotones de menor energía carecen de la profundidad de penetración y las longitudes de onda a escala de ángstroms necesarias para resolver posiciones atómicas individuales dentro de moléculas complejas o materiales de estado sólido.

Los rayos X duros generados por un XFEL resuelven este problema al combinar una resolución espacial subatómica con una duración de attosegundos. Lograr pulsos inferiores a 400 attosegundos permite a biólogos estructurales, físicos del estado sólido y científicos de materiales diseñar experimentos de excitación y sondeo (pump-probe) que rastrean las migraciones de electrones de capas internas en tiempo real. En dichos experimentos, un pulso láser inicial inicia una reacción química o transición electrónica, y un pulso sincronizado de rayos X duros de menos de 400 attosegundos toma una instantánea de la configuración de carga resultante antes de que los núcleos atómicos circundantes tengan tiempo de moverse.

Esta capacidad tiene implicaciones inmediatas para el estudio del daño por radiación, el rendimiento de semiconductores, los materiales cuánticos y la fotosíntesis artificial. Comprender cómo se reubica la carga en las moléculas en fracciones de femtosegundo es fundamental para diseñar células solares más eficientes, prevenir la degradación estructural en componentes electrónicos expuestos a la radiación y controlar reacciones químicas catalíticas al nivel más básico.

## The background

La búsqueda de pulsos de luz más cortos ha definido la óptica ultrarrápida durante más de cinco décadas, avanzando desde los láseres de rubí de picosegundos en la década de 1960 hasta los láseres de zafiro de titanio de femtosegundos en las décadas de 1980 y 1990. La frontera del attosegundo se abrió formalmente a comienzos del siglo XXI, cuando los investigadores demostraron que enfocar intensos pulsos de láser infrarrojo en gases nobles podía producir ráfagas de radiación de armónicos altos medidas en cientos de attosegundos. Este trabajo pionero condujo a la concesión del Premio Nobel de Física de 2023 a Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier por desarrollar métodos experimentales que generan pulsos de attosegundos para el estudio de la dinámica electrónica.

En paralelo a los avances en láseres de sobremesa, la comunidad internacional de aceleradores de partículas apostó por fuentes de luz a gran escala. En 2009, SLAC puso en marcha la Linac Coherent Light Source original, convirtiendo una sección de un kilómetro de su histórico acelerador lineal de radiofrecuencia de tres kilómetros en el primer láser de electrones libres de rayos X duros del mundo. La instalación emitió pulsos de rayos X mil millones de veces más brillantes que los sincrotrones de anillo de almacenamiento, pero los pulsos iniciales duraban decenas de femtosegundos.

Durante la última década, otras instalaciones importantes entraron en funcionamiento para competir en el régimen de rayos X duros, incluidas la instalación SACLA en Japón (2011), PAL-XFEL en Corea del Sur (2016), el European XFEL en Hamburgo, Alemania (2017), y SwissFEL en Suiza (2017). En todas estas instalaciones, los investigadores desarrollaron modos operativos especializados, como el proyecto X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) en SLAC, específicamente para reducir las duraciones de los pulsos de decenas de femtosegundos a cientos de attosegundos.

En los últimos años, SLAC completó una importante mejora de infraestructura conocida como LCLS-II, introduciendo un acelerador lineal superconductor de radiofrecuencia capaz de emitir hasta un millón de pulsos por segundo, en comparación con los 120 pulsos por segundo de la instalación original. Esta inversión sostenida en la arquitectura de aceleradores generó la estabilidad operativa necesaria para aislar, controlar y medir con precisión haces de rayos X duros de menos de 400 attosegundos.

## Reaction

Si bien el informe de Mrigakshi Dixit describe el logro empírico, las reacciones formales de los organismos institucionales y de la comunidad académica más amplia se consolidarán a medida que entren en circulación publicaciones revisadas por pares que detallen los parámetros exactos del acelerador. La Office of Basic Energy Sciences del Department of Energy, que supervisa la financiación de SLAC y de instalaciones similares para usuarios de sincrotrón, suele incorporar estas referencias en sus futuras hojas de ruta de instalaciones.

Dentro de las comunidades de física ultrarrápida y dinámica química, se espera que los investigadores que dependen de propuestas de acceso como usuarios en SLAC analicen con qué facilidad puede integrarse este modo operativo en las líneas de luz experimentales estándar. Las principales conferencias científicas, incluidas las reuniones convocadas por la American Physical Society y la Optical Society (Optica), suelen servir como foros donde los grupos de expertos examinan la metodología de medición, los umbrales de relación señal-ruido y las métricas de coherencia espacial que respaldan las declaraciones de pulsos récord.

## What we don't know yet

Varios parámetros operativos clave siguen sin especificarse en los informes preliminares. En primer lugar, no se ha indicado la duración exacta del pulso —más allá de la clasificación general de situarse por debajo de los 400 attosegundos—, ni tampoco el margen de error experimental asociado con la técnica de diagnóstico temporal. Determinar si los pulsos midieron consistentemente cerca de los 350 attosegundos o de los 100 attosegundos resulta fundamental para los investigadores que planean experimentos en escalas temporales específicas de desintegración subatómica.

En segundo lugar, no se detallaron la energía del pulso ni el flujo de fotones por ráfaga. En la física de láseres de electrones libres, comprimir un paquete de electrones para acortar la duración del pulso con frecuencia reduce el número total de fotones emitidos por disparo. Si la energía del pulso cae demasiado, capturar patrones de difracción claros o señales espectroscópicas de muestras diluidas se vuelve estadísticamente difícil.

En tercer lugar, sigue sin confirmarse si este modo inferior a 400 attosegundos es actualmente lo bastante estable como para ofrecerse como una configuración operativa estándar para los científicos visitantes generales en LCLS, o si sigue siendo una demostración delicada de desarrollo de máquina que requiere la optimización directa por parte de especialistas en aceleradores.

## What to watch

De cara al futuro, varios hitos indicarán la viabilidad operativa de este avance. El paso inmediato siguiente es la publicación de un artículo detallado revisado por pares en una revista reconocida de ciencias físicas, en el que se expondrán las configuraciones de los onduladores, las métricas de compresión del haz de electrones y los algoritmos de reconstrucción utilizados para verificar la duración del pulso.

La atención de los observadores también se centrará en los próximos ciclos de propuestas de tiempo de haz publicados por SLAC. Si la instalación incluye la capacidad de rayos X duros de menos de 400 attosegundos en su convocatoria de propuestas de usuarios, indicará que los ingenieros de la instalación han resuelto los desafíos de estabilidad del haz y reproducibilidad disparo a disparo que a menudo complican los experimentos de attosegundos.

Además, merecerán seguimiento las respuestas de las instalaciones internacionales competidoras. Instalaciones como el European XFEL en Alemania y SwissFEL en Suiza mantienen grupos de investigación dedicados a la conformación de pulsos ultrarrápidos. La rapidez con la que las instituciones homólogas reproduzcan o superen el umbral inferior a los 400 attosegundos en el dominio de los rayos X duros determinará cuán pronto este nivel de resolución temporal se convertirá en un estándar en toda la industria de la investigación molecular y de materiales.

Este informe se basa en la cobertura de Mrigakshi Dixit.