Nuevas fuentes de luz de rayos gamma que aprovechan la canalización de la radiación de ondulador cristalino
Los modernos láseres de electrones libres de rayos X (XFEL, por sus siglas en inglés), potentes herramientas que generan pulsos coherentes y ultracortos de rayos X de aproximadamente un angstrom de longitud de onda, tienen un brillo muy elevado. Esto permite, entre otras aplicaciones, la obtención no destructiva de imágenes de biomoléculas. Sin embargo, reducir su longitud de onda alcanzable al ámbito de la radiación gamma manteniendo o aumentando su intensidad es todo un reto. Con el apoyo de las Acciones Marie Sklodowska-Curie (MSCA), el equipo del proyecto N-LIGHT(se abrirá en una nueva ventana) trató de superar la disyuntiva longitud de onda-intensidad con fuentes de luz basadas en cristales de rayos gamma sintonizables (CLS, por sus siglas en inglés) capaces de alcanzar una longitud de onda subangstrom y un brillo ultraalto. Las aplicaciones potenciales son apasionantes en campos como la ciencia fundamental, la industria, la biología y la medicina.
Canalización a través de cristales
Las fuentes de luz avanzadas, como los XFEL, se basan en grandes onduladores magnéticos para crear luz coherente. En N-LIGHT se aplicó un método radical: el uso de campos electrostáticos electromagnéticos cristalinos, que son órdenes de magnitud más fuertes que los campos que se pueden conseguir con imanes superconductores. El campo electrostático colectivo de los átomos del cristal se utiliza para controlar el movimiento de las partículas cargadas (en general, electrones o positrones) en el cristal a lo largo de planos cristalográficos, un fenómeno conocido como «canalización». Esto provoca la oscilación transversal de las partículas y la emisión de radiación de canalización. Según Andrey V. Solov'yov, del Centro de Investigación MBN(se abrirá en una nueva ventana), coordinador de N-LIGHT: «En un cristal curvado periódicamente, la emisión adicional de "radiación ondulatoria cristalina" surge del movimiento ascendente y descendente de la partícula a lo largo de los planos curvados». Estos potentes campos electrostáticos cristalinos dirigen partículas ultrarrelativistas, que son partículas que se mueven casi a la velocidad de la luz. Lo hacen con más eficacia que los imanes más avanzados, lo que permite miniaturizar drásticamente las fuentes de luz y abaratar su coste en comparación con los convencionales.
Avances teóricos, computacionales y experimentales pioneros
Basándose en desarrollos teóricos que relacionan el perfil de la curvatura de los planos cristalinos con la variación de la concentración de átomos dopantes, las simulaciones numéricas mostraron que la eficacia de la canalización y la intensidad de la radiación de ondulador cristalino dependen en gran medida de la orientación del haz con respecto al perfil de curvatura del canal a la entrada del cristal. Con las simulaciones también se demostró que la intensidad de radiación de los CLS podría superar a las fuentes de luz de rayos gamma de última generación actuales. Herramientas computacionales de vanguardia permitieron simular el comportamiento de propagación de una sola partícula a través de un cristal y predecir las propiedades de radiación. Una cartografía exhaustiva de los parámetros operativos de los onduladores cristalinos acústicos ha establecido rangos prácticos relevantes tanto para el acelerador MAMI(se abrirá en una nueva ventana) como para los aceleradores del Consejo Europeo de Investigación Nuclear(se abrirá en una nueva ventana) (CERN). «Las simulaciones de dinámica molecular han caracterizado, por primera vez, los cambios estructurales inducidos por el dopaje de boro en el diamante y de germanio en el silicio», señala Andrei Korol, investigador de las MSCA. Estos conocimientos se tradujeron en hitos experimentales tangibles. Se fabricaron dos onduladores cristalinos -uno mediante dopaje gradiente de boro del diamante y el otro mediante deposición de una película de tracción sobre silicio, y se probaron en el MAMI y el CERN, respectivamente. Según Solov'yov y Korol: «La campaña experimental produjo dos primicias históricas en un solo experimento: la primera observación directa de la radiación de ondulador cristalino de un cristal de diamante dopado con boro expuesto a un haz de electrones, y la primera observación de la canalización de positrones (ambas en el MAMI)».
Un futuro brillante para las fuentes de luz basadas en cristales de rayos gamma
La construcción de CLS requiere un largo y difícil proceso: la preparación de muestras de cristal, el diseño y la manipulación de haces de partículas, y la detección y caracterización de la radiación, todo ello apoyado por análisis teóricos y modelos computacionales avanzados. En N-LIGHT se ha recorrido este camino en su totalidad. Pasar a la industrialización llevará tiempo. Sin embargo, si nos inspiramos en los paralelismos históricos con los sincrotrones, los láseres ópticos, las fuentes de luz láser Compton y los XFEL, estas fuentes radicales de luz de rayos gamma tienen el potencial de lanzar industrias de miles de millones de euros con un impacto de gran alcance para el bien de la sociedad.