El láser más potente del mundo de su tipo está listo para una importante actualización: con un brillo 3000 veces mayor y el doble de energía del haz
Los investigadores podrán analizar compuestos químicos y átomos con mayor detalle que nunca utilizando el láser más brillante y claro de su tipo en cualquier parte del mundo.
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Los científicos pronto podrán investigar los secretos de las partículas más pequeñas del mundo con más detalle que nunca tras una importante mejora del láser más potente de su tipo en el mundo.
El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha dado luz verde para actualizar la fuente de luz coherente Linac (LCLS), un láser de rayos X increíblemente potente que se utiliza para la investigación. Tiene su sede en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, ubicado justo al lado del campus de la Universidad de Stanford en el Área de la Bahía de San Francisco.
Los científicos utilizan el LCLS para documentar y analizar los componentes básicos del universo mediante la explosión de átomos, nanoestructuras y moléculas con rayos X. Esto les permite documentar los procesos atómicos que gobiernan el funcionamiento del mundo y es especialmente útil para investigar procesos subatómicos en ciencias cuánticas, energéticas y biológicas.
Los láseres de electrones libres como este producen luz brillante en una longitud de onda increíblemente amplia, con haces que son órdenes de magnitud más brillantes e intensos que otros láseres. LCSC funciona acelerando los electrones a una velocidad cercana a la velocidad de la luz y luego concentrándolos a través de una serie de imanes conocidos como "onduladores". Esto los obliga a liberar fotones (partículas de luz) en un haz brillante y concentrado que ilumina las partículas en un proceso similar a las imágenes de rayos X sobrealimentadas.
Cómo funciona el láser de rayos X LCSC
El LCLS está ubicado en un túnel de 3,2 kilómetros (2 millas) utilizado originalmente para un acelerador de partículas construido en 1962. Se actualizó por primera vez en 2023 como parte del proyecto "LCLS-II". El nuevo hardware agregado al láser aumentó su brillo, lo que dio como resultado un haz hasta 10.000 veces más brillante que con la primera fase de LCLS. LCSC-II también es un billón de veces más brillante que los rayos X que se pueden encontrar en un hospital. Dispara rayos en ráfagas de hasta un millón de pulsos por segundo (cada uno de los cuales dura sólo un puñado de femtosegundos), el tiempo que tarda la luz en viajar 300 nanómetros (o aproximadamente el ancho de un virus).
Esto le permite filmar "películas" fotograma a fotograma de procesos químicos: en 2015, esto permitió a los científicos ver cómo se forman los enlaces químicos por primera vez, y en 2023 observar el real -pasos de tiempo de la fotosíntesis. Esto nos ayuda a comprender todo, desde las reacciones químicas hasta la conservación de la energía en nuevas células solares.
Como parte del proyecto, se añadió un nuevo acelerador superconductor, que aumentó considerablemente la velocidad de aceleración de los electrones dentro del láser. Lograr estos resultados significó enfriar el camino de las partículas hasta cerca del cero absoluto utilizando 37 módulos criogénicos (criomódulos), que redujeron las temperaturas dentro del LCLS a -456 grados F (-271 grados C), eso es más frío que el espacio profundo.
Estos módulos están alineados uno tras otro y forman la carcasa dentro de la cual se dispara el láser del LCLS-II. Dentro de cada criomódulo del circuito se encuentran cavidades de radiofrecuencia, que una vez enfriadas a temperaturas increíblemente bajas actúan como superconductores para amplificar la salida de energía del rayo láser. Los criomódulos contienen helio superenfriado y cavidades de radiofrecuencia superconductoras que ayudan a enfriar los materiales utilizados dentro de sistemas científicos sensibles como el LCLS, lo que les permite operar sin resistencia eléctrica ni producir calor.
Qué esperar de LCLS-II-HE
Esta última ronda de actualizaciones se conoce como "LCLS-II-HE" y duplicará la energía producida por el haz de electrones libres de LCLS-II, para un aumento general de 3.000 veces en el brillo. Esto requerirá más enfriamiento con 23 criomódulos adicionales.
Para construir estos nuevos componentes, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC trabajará con el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, la Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan y la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson. También colaborará con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que diseñó los onduladores utilizados en LCLS-II junto con el Laboratorio Nacional Argonne, para adaptar el ondulador a los nuevos requisitos de producción.
"La actualización LCLS-II-HE será un avance transformador para la misión científica del DOE Basic Energy Sciences y la comunidad científica en general", dijo el director de LCLS, Mike Dunne, en un comunicado de prensa. “Si la actualización LCLS-II permitió una cámara de cine de alta calidad capaz de capturar imágenes claras y detalladas, la actualización LCLS-II-HE aumenta enormemente la resolución y sensibilidad de esa cámara. Los científicos podrán obtener imágenes del movimiento a escala atómica de materiales, sistemas químicos y complejos biológicos para abordar algunos de los desafíos más críticos que enfrenta nuestra sociedad”.
La actualización costará 716 millones de dólares y se espera que mejore en gran medida las capacidades científicas del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, administrado por la Universidad de Stanford en nombre del DOE. Actualmente, la organización espera que la actualización esté completa para 2030, aunque los científicos esperan realizar pruebas mucho antes para demostrar todo el potencial del láser.
Los láseres de rayos X como el LCLS tienen un potencial transformador para el descubrimiento científico. Ya se están utilizando para estudiar estructuras óptimas para nanotecnología y nanomateriales, que representantes del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC han dicho podrían ser fundamentales para mejorar la tecnología de energía renovable y la densidad de energía de las baterías. . Este trabajo científico también podría ampliar nuestra comprensión de los procesos biológicos a nanoescala en la búsqueda de mejores medicamentos, agregaron.
Una vez actualizado, el LCLS producirá más de un petabyte de datos por día, que a su vez se puede utilizar para entrenar modelos de aprendizaje automático e inteligencia artificial (IA) implementados en los campos científicos antes mencionados.