Nuevos pasos para filmar el baile de los átomos

Nuevos pasos para filmar el baile de los átomos

Gracias a sus ráfagas de rayos X ultracortos, los láseres de electrones libres (FEL, por sus siglas en inglés) pueden filmar átomos en movimiento en moléculas complejas y en el curso de reacciones químicas. Pero, para poder realizar esta grabación es preciso conocer con exactitud el tiempo de llegada y el perfil temporal de los pulsos que iluminan periódicamente el sistema.

Ahora, un equipo internacional de científicos, incluidos algunos del Donostia International Physics Center (DIPC) y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), en España, ha desarrollado una técnica de medición capaz de proporcionar esa caracterización temporal completa de pulsos FEL. Se ha probado con éxito en un láser de este tipo del Centro Alemán de Aceleradores de Partículas (DESY).

El equipo investigador, dirigido por Adrian Cavalieri del Center for Free-Electron Laser Science (Alemania), ha conseguido medir el perfil temporal de cada pulso de rayos X con una precisión de femtosegundos (la milbillonésima parte de un segundo). También ha participado el científico Nikolay Kabachnick de la Universidad Estatal Lomonosov, en Moscú, visitante regular del DIPC.

La técnica puede implementarse en cualquiera de los láseres de electrones libres de rayos X del mundo, lo que posibilita, en última instancia, un empleo más eficiente de estas fuentes láser. Los resultados se han publicado en el último número de la revista científica Nature Photonics.

Los pulsos de rayos X que emiten los láseres de electrones libres proporcionan oportunidades de investigación únicas, ya que los pulsos, además de ultra-intensos, son ultracortos. Una sola ráfaga –o pulso– FEL de una duración no mayor de unas decenas de femtosegundos, o incluso menor, contiene billones de fotones de rayos X.

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Un campo electromagnético acelera los fotoelectrones que emiten átomos de neón irradiados por un láser de rayos X de electrones libres. (Imagen: Jörg Harms/MPSD, CFEL)

Sin embargo, el tiempo de llegada, e incluso el perfil temporal de un pulso FEL, pueden variar drásticamente de un pulso a otro. Por ello, si se pretende emplear el FEL para filmar procesos dinámicos ultrarrápidos, se debe medir el tiempo de llegada de cada pulso para reordenar los fotogramas individuales capturados con cada pulso FEL individual.

Si se dispone de la información temporal exacta, los pulsos FEL de  rayos X de femtosegundos son suficientemente cortos como para permitir el estudio de átomos en movimiento, reacciones químicas y transiciones de fase en materiales, con resolución temporal en la escala del femtosegundo.

Si además, simultáneamente se mide el perfil, la forma, del pulso FEL de rayos X, sería posible incluso ir más allá, y explorar procesos que evolucionan durante la exposición a los rayos X. En esas escalas de tiempo, el movimiento de electrones y la dinámica de los estados electrónicos se vuelven significativos.

La dinámica electrónica puede ser responsable por ejemplo de provocar daños en biomoléculas, lo que a su vez podría provocar su destrucción antes de que éstas puedan ser captadas en una imagen nítida.

Para llevar a cabo sus mediciones, el equipo adaptó el llamado ‘streaking de fotoelectrones’, una técnica empleada en física de attosegundos (milésima de femtosegundo). Andrey Kazansky, profesor investigador de Ikerbasque en el DIPC y la UPV/EHU, explica que “la técnica de streaking permite registrar los perfiles temporales de haces o pulsos luminosos variables, gracias a la creación de haces de fotoelectrones y posterior análisis de la distribución de energía de estos electrones”.

Un fotoelectrón es el electrón emitido por la materia como consecuencia de la absorción de un fotón de alta energía. En otras palabras, es un electrón que ha sido arrancado por un fotón.

Aprovechando las intensidades tan altas disponibles en los FELs, los investigadores han sido capaces de llevar a cabo medidas utilizando la técnica de streaking en la fuente FLASH de DESY (Alemania), en cada pulso. Para ello, se lanzan los rayos X del láser a través de gas de neón. Cada pulso FEL de rayos X arranca un haz de fotoelectrones del gas noble y el perfil temporal de cada haz de fotoelectrones resulta ser una réplica del pulso FEL que lo generó.

Luego, un campo electromagnético muy intenso hace que estos fotoelectrones sean acelerados o desacelerados, dependiendo del instante exacto en el que han sido emitidos. Este efecto de aceleración o desaceleración se puede medir y combinando adecuadamente toda la información disponible, se puede obtener el perfil temporal y el tiempo de llegada de cada pulsos de rayos X individual con una precisión de unos cinco femtosegundos.

“La clave de esta técnica es la medición simultánea del tiempo de llegada y el perfil del pulso, independientemente del resto de parámetros del FEL” explica Adrian Cavalieri, profesor en la Universidad de Hamburgo y líder de grupo en el departamento de Investigación para la Dinámica de Estructuras del Instituto Max Planck. “Hasta ahora, ninguna otra medición había ofrecido una información temporal completa, y es precisamente esta información la que será decisiva para futuras aplicaciones de estas fuentes de rayos X”.

La caracterización del puso FEL presentada por el equipo de investigación se realiza sin apenas afectar el haz del FEL  –para crear los fotoelectrones sólo se pierde un numero insignificante de fotones–. Por lo tanto, se puede aplicar en cualquier experimento en prácticamente cualquier longitud de onda.

En un futuro inmediato, la técnica de streaking generada por láser va a ser utilizada en FLASH para controlar y mantener la duración del pulso FEL y estudiar una amplia variedad de sistemas atómicos, moleculares y de estado sólido. En próximos experimentos, los investigadores piensan utilizar estas medidas de alta precisión como feedback crítico para ajustar y manipular el perfil del haz de rayos X. (Fuente: DIPC/Basque Research)

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29 comments

  1. NOMBRE DE ESTUDIANTE: Heidy Johana Choachi Carreño.
    PRESCENTADO A : Profesora Blanca Gonzales
    COMENTARIO:Pues me pareció muy interesante sobre el baile de los átomos porque uno puede mirarlos gracias a los rayos X , y podemos observar el movimiento de cada una.

  2. NOMBRE DE ESTUDIANTE: Heidi Johana Choachi Carreño.
    PRESCENTADO A: Profesora Blanca Gonzales
    COMENTARIO: Pues me pareció muy interesante sobre el baile de los átomos porque uno puede mirarlos gracias a los rayos X, y podemos observar el movimiento de cada una. ❤ ❁ ❀ ✿ ۰•● ❤ ●•۰๑•ิ.•ั๑

  3. Pues ME pareció muy interesante pues por que uno puede observar aprender mejor y pues podemos mirar gracias a los rayos (x) y pues por que podemos observar el movimiento de cada y pues la clave de esta técnica es medición *-*

  4. NOMBRE DE ESTUDIANTE: Carlos Mario Rodríguez Solís
    CURSO: 8-2 J.M
    JORNADA:MAÑANA
    COMENTARIO: Me parece increíble todo el estudio que hizo el equipo del investigador Adrian Cavalieri, porque lo qué el hizo junto con su equipo es un aporte al conocimiento del átomo.

  5. NOMBRE: Stiwar Alexis Farfan Mateus
    CURSO: 803 J.M.
    me parece muy interesante saber que los átomos se pueden ver a través de los rayos x y así aprender mas de los átomos

  6. buenos dias profesora blanca me pareció muy interesante el tema sobre el baile de los átomos porque uno puede mirarlos atravez de los rayos X, y podemos observar el movimiento de cada uno de ellos. ❤
    att:WENDI JURANI RODRIGUEZ FUERTES grado:803JM

  7. Para.La profesora. Blanca Nombre.Ana gineth cortes hernandez 802 JM
    Profesora blanca gonsales yo lohice en el correo de mi hermana por que el mio no funciono. En fin este es mi trabajo.
    El baile de nos átomos me pareció muy importante por q habla de los rayos x,que pueden lograr grabar atomos q se mueven complejamente; y es muy importante tener en cuenta q se pueden grabar, hay q tener en claro los puntos exactos periodicamente de el sistema .Me gusto el vídeo por q muestra a muchos científicos importantes q desarrollaron técnicas claves para acelerar el proceso de las partículas. El científico q mas me llamo la atención fue Adrián Calieri,por q se intereso mas a fondo por por los rayos x, con mucha precisión para lograr medir el perfil de cada pulso de rayos x. Y otros científicos que contribuyeron mucho en los atomos. Es muy sencillo que los dos laceres de electrones libres de rayos x se puedan complementar. Casualmente cada descubrimiento es puesto en la revista científica nature photonics. Los pulsos de rayos x ayudan a oportunidades de investigacion, por q los pulsos son ultraintensos y ultracortos o exageradamente cortos. Las decenas de femtosegundos, contiene billones de. Fotones de rayos. Los átomos de neón emiten los fotoelectrones que son apurados por una fuerza electromagnetica. Los pulsos FEL de rayos x son cortos para aceptar q los átomos en movimiento tengan reacciones quimicas . para controlar y mantener la duración del pulso FEL y aprender una gran amplitud de sistemas atomicos, moleculares yven estado solido

  8. pues me parecio muy interesante saber todo lo que pueden hacer lo rayos x , dandonos esta informacio sobre los atomos y las mediciones que pueden hacer a los atomos y asi podemos aprender mas sobre ellos

  9. Nombre Del Estudiante: Sharon Gissell Robayo Daza
    Curso: 8-3 J.m
    Comentario: Me pareció super interesante la lectura nunca pensé que atravez de rayos X se podría observar, como esta claro en la lectura la clave para esta técnica es la medición, ademas la técnica puede implementarse en cualquiera de los láseres de electrones.

  10. Nombre: Duquino Cruz Lina Maria
    Curso:803
    Comentario: Me paresio muy interesante este tema porque las personas pueden observar y aprender mejor y podemos mirar los rayos X. El estudio que hizo el equipo del investigador adrian cavalieri por que con apoyo de el equipo es aporte al conocimiento del atomo y pues la verdad nunca pense que los atomos podian hacer esas cosas.

  11. Gracias Ah Este Video Aprendi Que Los Atomos Se Pueden Ver Gracias Ah Los Rayos x Y Ver Cada Moviento Que Hace El Atomo.
    Y Me Parecio Super Increible Lo Que Adrian Cavalieri Y Su Equipo Aporto Para Un Conocimiento Mas Profundo Del Atomo.

    Oscar Daza 802 J.M

    =D

  12. La lectura me ayudó a comprender que los átomos no se pueden ver a simple vista rayos x para verlos y un campo electromagnético para acelerar la foto electrones curso : 803 Juan Nicolás gil

  13. Me Parece Muy Interesante Saber Que Los Átomos Se Puedan Ver A Través De Los Rayos X Y Así Aprender Mas De Los Átomos

  14. Nombre: Selena Naibeth Gil Jimenez
    curso: 803-jm
    muy buenas noches profesora blanca este tema ¨´baile de los átomos ¨ me enseño que los átomos se pueden ver con rayos x y que la técnica para esto es la medición algo que envedad no savia. muchas gracias

  15. Nombre: Yessika Paola Calderon Leon
    Curso: 803 – Jornada Mañana
    Comentario: Me Gusto Mucho Saber Que Los Atomos Se Pueden Ver Atravez De Los Rayos X , Aprendi Mas De Los Atomos Graciias Ah La Lectura Y Esos Viideos . Me Gustariia Aprender Mas Sobre Los Atomos

  16. Muy interesante este informe
    Ya que nos permite conocer como los atomos se ven mediante rayos x…y que la clave ” Es La Tecnica De Medicion
    Att:
    Jennifer Tatiana Gonzalez
    803 Jm 🙂

  17. nombre: yeimi vanesa gutierrez rodriguez
    curso:
    me pareció muy importante porque nos da a conocer como los rayos X pueden firmar átomos en movimiento y gracias a los investigadores pudimos aprender un poco mas de nuestra historia

  18. NOMBRE:JOHANA MARIXA ESPITIA SANCHEZ
    CURSO:803 J.M
    La lectura me ayudo a comprender que con los rayos x, podemos ver los átomos para aprender de ellos cosas que no conocemos

  19. NOMBRE:DENILSON SANTIAGO RODRIGUEZ LOZANO CURSO:803 J.M gracias a la lectura podemos saber que los atomos los podemos ver a traves de los rayos x y el movimiento de las moleculas y podemos saber mas sobre los atomos,conocer mas sobre ellos etc….

  20. NOMBRE…..cristian yecid gonzalez
    CURSO……803
    gracias a la lectura podemos saber mas sobre los atomos,como por ejemplo que con los rayos x podemos ver los atomos

  21. NOMBRE: Maria Alejandra Gomez Pardo
    CURSO: 803 J.M.
    Me parece interesante poder ver los átomos en movimiento a través de los rayos x y así poder aprender mas acerca de los átomos

  22. Nombre: Karol Duarte ♡
    Curso: 803
    Me Pareció Muy Interesante El Tema De El Baile De Los Átomos Y Me Parece Super Chebre Que Hayan Creado Esas Nuevas Técnicas Para Medir Los Átomos En Movimiento Y Que Se Puedan Ver Por Medio De Los Rayos X!
    Tambien Me Parece Super Que Para Hacer Experimentos Lo Hagan Con Gas Neón!

  23. clave para esta técnica es la medición, ademas la técnica puede implementarse en cualquiera de los láseres de electrones.y los rayos (x) fue uy interesante la lectura

  24. Nombre: Laura Daniela Peña Buritica
    Curso: 1006 JM
    Gracias a los avances e investigaciones de muchos cientificos se ha podido concluir que gracias a las rafagas de los rayos x podemos ver como se mueven o interactuan los atomos pero esta interaccion despende en la situacion en la que se encuentre el atomo las cuales se pueden medir en milésima de femtosegundo.

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