La máquina de rayos X más potente de la historia nos ayudará a entender el mundo cuántico

Tras una década de trabajo, la actualización de la máquina de láser de rayos X Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) del SLAC National Accelerator Laboratory de California, en EEUU, ya está lista para funcionar. Este aparato genera rayos X 10.000 veces más brillantes que el modelo anterior y funcionará como un microscopio superpotente que permitirá observar y estudiar en profundidad materiales cuánticos, sistemas biológicos o la física atómica.

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Jesús Díaz

Cómo funciona

La segunda versión del LCLS produce sus rayos X gracias a un complejo sistema de láseres, imanes, microondas y electrones. El LCLS-II produce rayos X que son mil millones de veces más brillantes que los utilizados en las consultas médicas gracias a un tubo metálico de tres kilómetros de longitud con un revestimiento de niobio por el que viajan los electrones.

Al igual de cómo ocurría con el modelo anterior, el LCLS-II genera electrones que luego se aceleran en el interior del tubo. Luego entran en un ondulador que los hace oscilar hasta que lanzan rayos X de lado a lado.

El proceso arranca, explica New Scientist, aplicando un láser ultravioleta para expulsar electrones de una placa de cobre antes de acelerarlos con un dispositivo que emite intensos pulsos de microondas. Luego, esos electrones se mueven por un laberinto compuesto por miles de imanes que provoca que se aceleren de un lado a otro y emitan rayos X en ráfagas predecibles y perfectamente controladas. Esto permite a los investigadores dirigir los pulsos de luz hacia el objetivo y conseguir imágenes precisas de la estructura interna de los objetos que están estudiando.

A diferencia de lo que ocurría con el modelo anterior, el LCLS-II cuenta con 37 módulos bajo tierra que tienen un refrigerante de helio líquido que enfría el larguísimo tubo de metal a unos -271 °C. Esta temperatura permite que el metal pueda soportar la enorme exposición a los electrones sin problema.

Además, el equipo utiliza microondas para alimentar un campo eléctrico oscilante que resuena en el interior de estas cavidades y que se sincroniza con el ritmo de los electrones que pasan a través de ellas transfiriendo energía. Esto hace que cuando los electrones pasan por los 37 módulos aceleren hasta una velocidad cercana a la de la luz.

Uno de los grandes retos del sistema es que necesita de una gran precisión para funcionar. Según explica Mike Dunne, director del SLAC, los imanes que rodean el laberinto tienen que calibrarse con extrema exactitud para que los pulsos de rayos X tengan la forma correcta. Un proceso que les ha llevado 12 meses de trabajo y en el que han tenido que calibrar todas las piezas de la máquina para aumentar su potencia. "Cada una de las piezas de este sistema tenía que funcionar a la perfección simultáneamente", dice Dune.

Imágenes a nivel molecular

El anterior modelo, el LCSL-I, ha conseguido avances científicos como reproducir las condiciones de temperatura del núcleo de una estrella, obtener las primeras imágenes de virus intactos o hervir el agua hasta convertirla en un plasma más caliente que el interior de la Tierra. El nuevo sistema, está diseñado para tomar imágenes de objetos microscópicos en alta resolución en muy poco tiempo. Además de ser 10.000 veces más brillante que el anterior, es capaz de disparar un millón de ráfagas al segundo, mucho más rápido que las 120 por segundo que conseguía el modelo original.

Sus creadores aseguran que el LCLS-II permitirá a los científicos examinar materiales complejos con una resolución sin precedentes. Esto, según ellos, nos ayudará a fabricar la próxima generación de semiconductores, impulsar nuevas formas de computación y comunicaciones o revelar eventos químicos que nos ayuden a crear industrias más sostenibles y nuevas tecnologías de energía limpia.

También nos permitirá profundizar en la mecánica cuántica midiendo directamente los movimientos de los átomos de manera individual o estudiar cómo las moléculas biológicas llevan a cabo sus funciones para desarrollar nuevos tipos de productos farmacéuticos. "Se trata de una herramienta científica muy amplia, como un potente microscopio que puede observarlo todo, desde los materiales cuánticos hasta los sistemas biológicos, pasando por la química catalítica o la física atómica y observará todo eso y mucho, mucho más", afirma Dunne.