Los investigadores confían en la interferencia de Newton para un nuevo experimento

La mayoría de la gente piensa en Sir Isaac Newton como en el padre de la gravedad.

Pero para el físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Henry Chapman, y sus colegas, el experimento del “espejo polvoriento” de Newton sirvió como plataforma de lanzamiento para observar con gran interés las explosiones inducidas por rayos-X de objetos microscópicos.

El pulso FEL de la izquierda pasa a través de un agujero en un espejo detector cubierto con múltiples capas. El “espejo polvoriento” consiste en partículas en una membrana de nitruro de silicio de 20 nanómetros de grosor apoyado sobre un espejo plano cubierto con múltiples capas. Esto retorna el rayo directo de vuelta a través del agujero en el espejo detector, el cual refleja la luz difractada en un detector CCD. La rápida difracción (azul, la onda de referencia) y la difracción retardada (rojo, el onda objeto) interfieren para generar el holograma en el detector CCD.

Usando el láser de electrones libres de rayos-X suaves FLASH (FEL) en Hamburgo, Alemania, el equipo hinchó una esfera de plástico, pero usó el mismo pulso láser para observar en la esfera una fracción de segundo después colocando un espejo de rayos-X justo tras el objeto. Un holograma (imagen tridimensional del objeto) se formó gracias a la interferencia, la cual fue causada cuando la luz dispersada a través de la esfera se combinó por primera vez con la luz dispersada en la esfera la segunda vez (la luz rebotada del objeto desde el espejo).

“Sabemos por trabajos anteriores que hicimos con FLASH que el objeto no explotó durante los 25 femtosegundos iniciales del pulso, y que forma la conocida onda de referencia del holograma”, dijo Chapman. “La onda de referencia puede usarse para determinar la onda objeto desconocida, que en realidad es el mismo objeto, pero una fracción de segundo más tarde”.

Entonces, ¿dónde entra Newton?

Newton creó una de las primeras observaciones de la interferencia con su experimento del “espejo polvoriento”. En una sala oscura, usó un prisma y un pequeño agujero en una pantalla para formar un rayo casi monocromático de luz solar, que hizo reflejar en un espejo plateado. El espejo se colocó en un ángulo de forma que retornase en rayo a través del agujero y sobre la pantalla. Newton observó anillos de luz oscuros y luminosos, lo que encontró “extraño y sorprendente”. Fue hace 100 años cuando el científico británico Thomas Young determinó que los anillos estaban causados por la interferencia en la pantalla de los dos caminos de la luz dispersadas por las partículas de polvo en la superficie frontal del espejo.

Ésta investigación apareció en la edición del 9 de agosto de la revista, Nature.

Chapman diseñó un experimento tras visitar el Centro Chabot de Ciencia y Espacio con su esposa (Saša Bajt, otro autor del artículo) y su hija. Había una exhibición óptica que te permitía ver interferencias observando a través de un largo tubo, que tenía un espejo en el fondo. Cuando sostenías un pequeño lápiz de luz cerca del ojo, veías contornos de curvas de colores en el reflejo del espejo. La exhibición se describió como el experimento del espejo polvoriento.

Un patrón de difracción coherente de dos pasadas codificando la forma y evolución de un objeto, como el usado por los investigadores de Livermore para su cámara holográfica de femtosegundo a escala nanométrica.

“De pronto me asaltó la idea de que se podría hacer lo mismo con pulsos cortos y espejos de rayos-X, y sería realmente interesante si el pulso de rayos-X fuese más corto que el tiempo que tarda en viajar desde a partícula de polvo a la parte trasera del espejo y vuelta”, dijo Chapman.

Y de esta forma nació el experimento.

El experimento es parte del proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de LLNL: “Biological Imaging with Fourth-generation Light Sources (Fotografía biológica con fuentes de luz de cuarta generación)” para desarrollar la técnica y determinar la factibilidad de experimentos que fotografíen moléculas aisladas para llevarse a cabo en la Fuente de Luz Coherente (LCLS) en Stanford cuando se ponga en funcionamiento.

Al contrario que las condiciones estáticas del experimento de Newton, en el reciente experimento es objeto finalmente se evapora mediante un pulso de rayos-X y el tamaño del objeto cambia en el breve intervalo que necesita el pulso para reflejar hacia la partícula. El tiempo que lleva al pulso el retorno está codificado en el patrón de contorno del holograma de rayos-X, y puede ser “leído” a partir del holograma con una precisión de aproximadamente un femtosegundo. Junto a esta corta longitud de onda de los rayos-X, las medidas dan información simultáneamente en la mayor resolución espacial y temporal para materiales no cristalinos generales.

“Este experimento nos permite estudiar la dinámica del material en condiciones extremas de pulsos FEL, tanto durante el pulso como cuando se convierte en plasma”, dijo Chapman.

El plasma está considerado como el cuarto estado de la materia, un gas ionizado que tiene propiedades distintivas. Hasta el reciente experimento, no había métodos estructurales para seguir los primeros pasos en la formación del plasma. Comprender estos procesos iniciales es crucial para los experimentos futuros de fotografía de resolución casi atómica en el LCLS. La clave es usar pulsos cortos para transmitir el daño y obtener una imagen de alta resolución del objeto antes de que explote.

Otros investigadores de Livermore incluyen a Stefan Hau-Riege, Michael Bogan, Anton Barty, Sébastien Boutet, Stefano Marchesini (ahora en Lawrence Berkeley), Matthias Frank, Bruce Woods, W. Henry Benner, Richard London, Urs Rohner, Abraham Szöke, Eberhard Spiller, Jennifer Alameda, Max Haro, Jeff Robinson y Jackie Crawford.

Investigadores del Centro de Ciencias Biofotónicas y Tecnología en la UC Davis, el Centro del Acelerador Lineal de Stanford, la Universidad de Uppsala en Suecia, el Instituto para Óptica y Física Atómica, y el Sincrotrón Electrónico Alemán (DESY) también contribuyeron al estudio.



Autor: Anne M. Stark
Fecha Original: 8 de agosto de 2007
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