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SACLA: Instalación de láser de electrones libres de rayos X (XFEL)
La longitud de onda más corta nos acerca al mundo de los átomos
[08.11.2011] Leer en otro idioma : ENGLISH | 日本語 | 简体字 | 繁體字 | FRANÇAIS |

La instalación SACLA del Instituto RIKEN Harima ha conseguido generar el láser de electrones libres de rayos X (XFEL) con la longitud de onda más corta del mundo, lo que ha hecho posible analizar la materia a nivel de átomos y electrones. Las aplicaciones prácticas de la investigación basada en XFEL son enormes.

La instalación de generación de láser de electrones libres de rayos X (XFEL, del inglés X-ray Free Electron Laser) del Instituto RIKEN Harima de la prefectura de Hyōgo ha producido el haz de XFEL con la longitud de onda más corta del mundo. Esta instalación SACLA (del inglés SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser), inaugurada en marzo de 2011, produce XFEL utilizando haces de electrones generados por un cañón de electrones. El XFEL es un nuevo tipo de luz que permitirá a los investigadores estudiar, a nivel atómico, la estructura de la materia y los cambios instantáneos de esta estructura. La instalación lleva a cabo ensayos para realizar los ajustes necesarios, y podrá estar a disposición de los usuarios japoneses y extranjeros en general en marzo de 2012.

El haz de luz capta cambios atómicos momentáneos

La longitud de onda de un XFEL y la de un rayo X están en el mismo espectro. Los rayos X tienen una longitud de onda corta y una gran capacidad de penetración en la materia sólida, mientras que en el caso de láser, utilizado en aplicaciones como las comunicaciones en fibra óptica de alta velocidad y los DVD, todas las ondas individuales de este potente tipo de luz están perfectamente alineadas. El XFEL combina las extraordinarias propiedades tanto de los rayos X como del láser, y con ello es mil millones de veces más brillante que un rayo de las fuentes de rayos X existentes, además de tener una longitud de onda más corta que la de los láseres convencionales. Esto significa que el haz del láser puede utilizarse para realizar observaciones muy detalladas a nivel de átomos y electrones. Una de las posibles aplicaciones del XFEL sería el análisis de la estructura de las membranas celulares individuales de las moléculas proteínicas, lo que permitiría el desarrollo de medicamentos, ya que el 60% de los que existen actualmente actúan sobre las proteínas de membrana. Además, dado que los XFEL se iluminan durante un periodo de tiempo excepcionalmente breve (alrededor de diez billonésimas de segundo) pueden utilizarse como un flash fotográfico de muy alta velocidad para capturar imágenes de cambios atómicos momentáneos o reacciones químicas extremadamente rápidas. De esta manera los investigadores podrán observar por primera vez en la historia los cambios momentáneos del diminuto mundo atómico.

SACLA: Instalación compacta y energéticamente eficiente

La larga y estrecha instalación SACLA está compuesta de un edificio acelerador, un edificio ondulatorio y una instalación experimental, todo unido en una línea recta de unos setecientos metros de longitud. El cañón de electrones de la boca del acelerador genera un haz de electrones que es acelerado casi a la velocidad de la luz. En el edificio ondulatorio se genera XFEL con el haz de electrones. Esto lo consigue el ondulador, un dispositivo compuesto por potentes imanes dispuestos conjuntamente en hilera. La fuerza de los imanes hace que los electrones se desplacen onduladamente. En la salida del ondulador, el XFEL generado se envía al edificio de experimentación.

En EE.UU. y Europa también se están llevando a cabo acciones para generar XFEL, pero una característica destacada de SACLA es que se trata de una instalación compacta y energéticamente eficiente. El acelerador desarrollado recientemente tiene el doble de capacidad de aceleración que los ya existentes, y eso le permite tener unos tubos de aceleración más cortos. Asimismo, sus onduladores utilizan una tecnología denominada “en vacío” que les permite producir el XFEL utilizando un haz de electrones de energía más baja que los utilizados en otras instalaciones. Como explica Ishikawa Tetsuya, director del Instituto RIKEN Harima, “aunando las excepcionales tecnologías de Japón hemos podido construir una instalación que ocupa una cuarta parte del tamaño de las instalaciones de EE.UU. y Europa”.

Una tecnología digna de verse

SACLA es una instalación sensible a los cambios más diminutos de todo tipo de condiciones, afirma uno de sus desarrolladores. Cuando los onduladores que generan el láser fueron instalados y alineados, por ejemplo, tuvo que tenerse en cuenta hasta la curvatura de la Tierra para asegurarse de que la luz viajaba en línea perfectamente recta. Gracias a esta pequeña modificación, el eje del haz se desvía de su trayectoria verdadera no más de 0,1 milímetros en los 120 metros de distancia de los onduladores alineados. SACLA ha sido construido mediante este tipo de elaborados ajustes. Pero no hay espacio para la autocomplacencia, tal y como dice el desarrollador: “Estamos llegando a un momento crucial, porque cuando la instalación esté operativa podríamos encontrarnos con fenómenos imprevistos”.

La instalación tardó cinco años en ser construida, y parece ser que hubo quien dudó de que fuese factible. Ahora que ya ha sido terminada sin percances y que se ha generado láser satisfactoriamente, tanto los investigadores que tienen previsto utilizar esta instalación como los que la han construido comparten un sentimiento de gran ilusión.


Sala del ondulador de XFEL. El XFEL se genera desde los onduladores alineados en el fondo de esta foto.

El 13 de julio se logró producir el haz de XFEL con la longitud de onda más corta del mundo: tan solo 0,08 nanómetros (1 nm = una milmillonésima parte de metro). “Ajustando el haz”, afirma el director Ishikawa con orgullo, “podremos generar una longitud de onda todavía más corta”.

Para sus análisis de datos en el futuro, la instalación tiene previsto colaborar con la supercomputadora de próxima generación más potente del mundo, el “K Computer”, ubicado en el Instituto Avanzado de Ciencias de la Computación (AICS, del inglés Advanced Institute for Computational Science) de RIKEN de la prefectura de Hyōgo. El director Ishikawa tiene ambiciosos planes y espera que esta colaboración “abra nuevos horizontes para la ciencia”.

Superar los límites de la tecnología existente ha despejado el camino para innovadoras investigaciones, como explicar la estructura y la función de las proteínas de membrana, un aspecto esencial para el desarrollo de medicamentos y microtecnología de procesamiento con precisión nanométrica. En los próximos años podemos prever aplicaciones prácticas de este tipo de investigación y experimentos llevados a cabo en la instalación SACLA.


Galería Klystron de XFEL. La amplia gama de dispositivos de control que vemos aquí es el corazón de la instalación SACLA.

 (Escrito originalmente en japonés por Satō Narumi, periodista independiente. Traducido al español de su versión inglesa. Fotografías de Hans Sautter.)

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