Un nuevo dispositivo en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía permite a los investigadores explorar las propiedades y la dinámica de las moléculas con luz circularmente polarizada o en espiral.
El uso de luz polarizada es importante en el estudio de muchas moléculas y procesos que afectan nuestra vida cotidiana. Se puede utilizar para diferenciar entre las moléculas quirales que tienen variaciones "zurdas" y "diestras", queafecta todo, desde su sentido del olfato y el gusto, como la diferencia entre naranjas y limones, o menta verde y semillas de alcaravea, hasta medicamentos que alteran la vida, como la talidomida, en la que una versión ayuda a aliviar las náuseas, pero la otra puede causar anormalidadescrecimiento de extremidades en niños no nacidos.
Con el nuevo ondulador Delta, el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac LCLS ahora se puede adaptar para observar los cambios en los materiales magnéticos que suceden más rápido que una billonésima de segundo, así como los procesos fugaces que involucran compuestos quirales centralesa áreas de investigación biológica y química. LCLS es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Ya hemos usado estos rayos X en un par de estudios, y los investigadores parecían bastante contentos con el resultado", dijo James MacArthur, un estudiante graduado de física en la Universidad de Stanford y parte del equipo SLAC que construyó el ondulador Delta.
Cómo se hace la luz en espiral
LCLS genera pulsos extremadamente cortos y brillantes de luz láser de rayos X enviando un haz de electrones a través de lo que se llama un ondulador. El ondulador contiene pares de imanes que obligan a los electrones a moverse. Este movimiento emite energía en forma de X-rayos, que interactúan con el haz de electrones para formar pulsos láser que pueden usarse para experimentos.
Antes de la adición del Delta, la luz entregada a las estaciones experimentales siempre estaba polarizada linealmente. La polarización se refiere a la forma en que una onda de luz vibra a medida que avanza, y la luz polarizada linealmente está restringida a una dirección. Pero la luz polarizada circularmente vibra endos direcciones, produciendo un patrón como un sacacorchos.
Con el Delta, cuatro filas de imanes fuertes cambian para polarizar los rayos X de forma lineal, elíptica o circular.
Los científicos pueden usar la luz en espiral para revelar la orientación de las moléculas en ciertos materiales e incluso proporcionar detalles subatómicos tan finos como la distribución de electrones y el espín.
En las últimas décadas, la capacidad de controlar la polarización de la luz ha llevado a muchos avances utilizando láseres ópticos. Los investigadores en Italia recientemente extendieron esta capacidad al régimen ultravioleta extremo, utilizando el láser de electrones libres FERMI. El haz en LCLS ahoraabre las puertas a los experimentos con rayos X, que pueden sondear la materia de formas completamente nuevas.
Estudios con luz en espiral
Hay varios tipos de experimentos posibles gracias a la luz polarizada circularmente. Las personas que estudian el almacenamiento magnético para la informática, por ejemplo, usan la luz en espiral para observar los cambios de magnetización para desarrollar nuevos métodos y materiales para dispositivos de almacenamiento más rápidos y compactos.
Ahora, con el poder del láser de rayos X más fuerte del mundo, la luz en espiral se puede entregar en pulsos extremadamente cortos e intensos en una amplia gama de energías.
"Ahora podemos estudiar la dinámica de la magnetización ultrarrápida de una manera más sustantiva y específica de lo que era posible anteriormente", dijo Daniel Higley, un estudiante graduado de física aplicada en Stanford. Higley es parte del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford SIMES, un instituto conjunto entre Stanford y SLAC.
"Una de las cosas clave sobre el uso de los rayos X es que son bastante específicos, ajustados a energías distintas. Por lo tanto, podemos estudiar, en este caso, cuáles son las dinámicas de magnetización para elementos químicos individuales", dijo Higley ".Y los pulsos cortos producidos por un láser de rayos X le permiten tomar una instantánea de las cosas que suceden muy rápido ".
Los investigadores también pueden recopilar los datos necesarios rápidamente. La luz en espiral producida por el Delta está polarizada en casi un 100 por ciento y tiene órdenes de magnitud más brillantes que la luz producida por cualquier otro tipo de fuente de rayos X con pulsos tan cortos. Esto permite la medición demagnetismo ultrarrápido con precisión y velocidad sin precedentes. El equipo describió tales mediciones en un reciente Revisión de instrumentos científicos papel
Los científicos también pueden usar la luz en espiral para sondear moléculas quirales, aquellas con estructuras "diestras" o "zurdas". Estas diferencias sutiles en la disposición son clave para comprender la función de muchas sustancias en la investigación biológica y química, incluidas ciertasaminoácidos y azúcares, productos farmacéuticos y pesticidas.
Esta luz se puede utilizar para estudiar cómo los rayos X desencadenan cambios precisos y fugaces en las moléculas quirales como los aminoácidos, y los investigadores pueden crear instantáneas de cómo la radiación daña los componentes moleculares de nuestros cuerpos.
Construyendo el Delta
El primer ondulador Delta se construyó en Cornell hace casi una década. Para la versión LCLS, el equipo SLAC, dirigido por Heinz-Dieter Nuhn, quería construir una versión mucho más grande del prototipo Cornell.
Pero no pudieron copiar el original exactamente; necesitaba ajustes para funcionar en LCLS.
"Comenzamos con algunas ideas, y descubrimos que no eran tan buenas como pensábamos", dijo Alberto Lutman, jefe del equipo de operaciones Delta de SLAC. "Nos tomó cerca de un año perfeccionar el diseño y resolver los problemas durantepuesta en marcha. Pero como resultado de todo ese esfuerzo, se ha vuelto cada vez mejor "
Poner el dispositivo en condiciones de funcionamiento también requirió una gran colaboración. Un científico de Cornell que diseñó y construyó el primer ondulador Delta, Alexander Temnykh, dio su opinión sobre el anteproyecto y las pruebas iniciales. Colegas en el DESY de Alemania y el European X-ray Free- El láser electrónico ayudó a proporcionar las medidas necesarias para calibrar el nuevo equipo.
Uno de los desafíos de diseño relacionados con el tamaño. Los investigadores de LCLS suelen utilizar de 30 a 50 metros de onduladores para producir un haz de rayos X de alta calidad.
"El ondulador Delta tiene solo 3,2 metros de largo", dijo MacArthur. "Así que tuvimos que encontrar una forma de producir mucha radiación y crear un alto grado de polarización circular a partir de un ondulador corto".
en a Fotónica de la naturaleza documento publicado en mayo, el equipo de Delta informó que el ondulador puede producir luz de alta intensidad a casi 100 por ciento de polarización.
"No se sabía qué tan bien funcionaría el ondulador mientras lo estábamos desarrollando", dijo Lutman. "Funciona y funciona muy bien".
¿Qué sigue para el Delta?
La investigación y el desarrollo están en marcha para múltiples onduladores Delta-II que producirán una luz en espiral compatible con el haz de LCLS-II, la próxima generación de LCLS. LCLS-II será 10,000 veces más brillante, en promedio, que LCLS, permitiendo un altoestudios de precisión de aspectos aún más finos del magnetismo ultrarrápido y la quiralidad.
El equipo de Delta desarrollará aún más formas de manipular la luz polarizada. Un esquema implica la entrega de rayos X de diferentes energías y polarizaciones en un solo experimento.
"Todo el equipo de Delta ha trabajado arduamente para desarrollar una forma de producir luz polarizada circularmente a medida para las necesidades de investigación", dijo Mike Dunne, director de LCLS. "Estamos entusiasmados de poder ofrecer esta nueva capacidad parala comunidad científica "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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