El láser de rayos X revela una nueva visión sobre la materia densa cálida

Un nuevo estudio que detalla el uso de láseres de rayos X para estudiar la Materia Densa Cálida (WDM) ha generado gran entusiasmo en el sector. Los investigadores utilizaron el European XFEL para llevar a cabo una serie de experimentos sobre este misterioso estado de la materia. Esto es lo que descubrieron.

Estado de la Materia Densa Cálida (WDM)

La Materia Densa Cálida es abundante en el universo. Este estado único se puede encontrar en planetas gaseosos como Júpiter e incluso en el centro de estrellas enanas marrones. Lo singular del WDM es que es un estado intermedio entre el plasma y una fase condensada. Por ello, es extremadamente difícil de recrear y desempeña un papel vital en la astrofísica, la ciencia planetaria y la fisión nuclear.

La comprensión inicial del WDM era amplia. Agrupaba múltiples fenómenos con temperaturas que variaban entre unos pocos miles de grados y alta densidad. En los últimos 5 años, la definición se ha ampliado para incluir cuerpos celestes con una densidad entre 0.01 y 100 g/cm³ y una temperatura superior a varios miles de kelvins (1‑100 eV).

Métodos actuales de monitoreo y creación de WDM

En el pasado se ha utilizado equipamiento óptico para observar el estado de materia densa cálida. Sin embargo, este enfoque estaba limitado por las capacidades del equipo. Específicamente, el dispositivo no podía registrar y monitorear con precisión los niveles de energía en su pico.

Otro método que se utiliza actualmente es la espectroscopía de emisión de rayos X. Este enfoque se inventó hace 12 años como una alternativa sin electrones. En este estudio, los investigadores emplean láseres de electrones libres de rayos X (XFELs) para generar pulsos de rayos X de alta intensidad que duran un solo femtosegundo. Cabe destacar que un láser de femtosegundo envía pulsos que abarcan millonésimas de una milmillonésima de segundo.

La introducción de láseres XFEL confiables permitió a los investigadores avanzar en sus estudios del estado WDM. Específicamente, examinaron el cambio transitorio y las propiedades ópticas de la materia expuesta a irradiación láser de rayos X. Estos estudios han abierto la puerta a nuevos tipos de láseres de electrones libres de rayos X. Para este estudio, los investigadores aprovecharon la capacidad de medir cambios a escala atómica para documentar con precisión la conversión de materia sólida al estado WDM utilizando el European XFEL en Hamburgo.

Láser European XFEL

El láser European XFEL es uno de solo una docena de XFEL en funcionamiento a nivel mundial. Este dispositivo avanzado se construyó en colaboración con el centro de investigación DESY. Cuenta con una zona de pruebas de 2.1 millas de longitud que permite a los investigadores monitorear la estructura electrónica e iónica de la materia mientras se convierte.

Estudio de la Materia Densa Cálida

Hasta la fecha, no se han realizado muchos estudios sobre cómo la irradiación de estos nuevos sistemas puede alterar los estados de la materia de manera registrable y rastreable. Por ello, los investigadores buscaron detallar cómo el uso de pulsos ultrarrápidos de láser de electrones libres de rayos X puede convertir cobre en materia densa cálida. Específicamente, el equipo describe el uso de espectroscopía de absorción de rayos X en el borde L sobre un amplio rango de intensidad de irradiación para convertir los estados.

Prueba de Materia Densa Cálida

Los pulsos láser se configuraron para irradiar muestras de cobre iluminadas durante 15 femtosegundos. Los investigadores repitieron este proceso a diferentes intensidades para observar el efecto y cómo cada ajuste alteraba la velocidad de conversión de la materia. Notaron que el pulso láser de rayos X generó una fuerte ionización.
Esta ionización provocó que los electrones expandieran la materia a medida que la temperatura aumentaba. En segundos, la materia se convirtió en WDM ionizado. A partir de ahí, se volvió transparente a los rayos X. Esta transición de absorción saturable (SA) a absorción saturable inversa (RSA) despertó el interés de los investigadores.

Combinando datos experimentales con simulaciones

El proceso de prueba se realizó utilizando el instrumento de Espectroscopía y Dispersión Coherente (SCS) del European XFEL (EuXFEL). Este lugar ofreció el sitio perfecto para que los investigadores llevaran a cabo experimentos y registraran meticulosamente los resultados. Examinaron con precisión cuánta radiación atravesaba la materia así como sus cambios de ionización.

Fuente – Nature

Cabe destacar que los experimentos requirieron que la energía del pulso XFEL se enfocara a través de espejos Kirkpatrick–Báez. Este enfoque permitió al equipo establecer el tamaño del haz en 4 μm de ancho completo a mitad de máximo (FWHM). Se midió una energía de pulso de 2 mJ con dos monitores de gas de rayos X. Estos dispositivos estaban ubicados a 2,3 m río abajo del punto de interacción.

El dispositivo hizo pasar el láser a través de una rendija de entrada de 40 μm y una rejilla con 1 200 líneas por mm. También se introdujo una cámara CCD miniaturizada para monitorear más a fondo el cobre excitado por rayos X. A partir de ahí, el equipo aplicó ecuaciones cinéticas de Boltzmann con extensiones de temperatura finita de la teoría del funcional de densidad en espacio real a temperatura finita (DFT) para obtener sus datos finales. Luego se utilizó un pulso XFEL de 15 fs a través de los bordes de cobre de prueba, donde las mediciones mostraron que la intensidad podía duplicarse.

Software BOLTZMANN SOLVER

El solucionador de la ecuación cinética de Boltzmann es un paquete de software de simulación hecho a medida que permite modelar la irradiación por pulsos de rayos X en materiales a granel. El programa fue creado por el Prof. Ziaja-Motyka en 2004 y ha sido fundamental en la investigación del WDM hasta la fecha. Las simulaciones permitieron a los ingenieros simular cambios en el nivel de energía del WDM frente a distintas intensidades de láser. Este software proporcionó información valiosa y ahorró tiempo, dinero y recursos.

XANES

La espectroscopía de absorción de rayos X cerca del borde (XANES) también se integró en el proceso de prueba. Esta unidad monitoreó el estado de los electrones de valencia y la estructura atómica durante la experimentación. Era ideal para la tarea debido a su ancho de banda espectral completo, lo que permitió al equipo comprender mejor las etapas transitorias del material.

Resultados

Los resultados de la prueba revelaron algunos detalles clave sobre el proceso. En primer lugar, la intensidad de los rayos X tiene una correlación directa con la ionización. Este proceso provoca cambios drásticos en los niveles de energía provocados por colisiones de átomos en estado excitado. El ritmo y la intensidad de estas colisiones fueron proporcionales a la cantidad de energía que proporcionó el pulso láser.

Curiosamente, el equipo observó que por debajo de una intensidad de pulso de 10^15 W cm⁻², se puede obtener un pico de absorción. Incrementaron gradualmente la intensidad del láser hasta que el equipo de prueba mostró que la materia se volvía opaca. Cuando la intensidad se aumentó más, la materia se volvió transparente al pulso láser. Así, el estudio revela que a cierto nivel de energía alto los rayos X no pueden ser absorbidos por el WDM.

Beneficios

Esta investigación aporta varios beneficios al mercado. El nuevo sistema brinda una comprensión más profunda del WDM, cómo se forma y sus capacidades bajo ciertos niveles de energía. Los datos proporcionados por los investigadores ayudan a los astrofísicos y a los ingenieros nucleares a comprender mejor cómo este estado de la materia puede beneficiar al mundo.

Comprender la termodinámica del WDM abre la puerta a nuevas posibilidades. Esta tecnología permite materiales más resistentes y procedimientos de prueba. Estos avances permitirán a la humanidad crear naves espaciales más potentes y duraderas que podrían generar energía mediante nuevos métodos de fusión.

Investigadores

La investigación fue organizada por el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia. Nina Rohringer fue la investigadora principal. Además, el Prof. Beata Ziaja-Motyka y el Dr. Laurent Mercadier del European XFEL participaron en el estudio, que fue parcialmente financiado por el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias.

Empresas que podrían beneficiarse de este estudio

Varias empresas están posicionadas para capitalizar esta investigación, desde compañías aeronáuticas hasta aquellas que trabajan en nuevos métodos de fusión; hay nuevas oportunidades disponibles. Este estudio puede ayudar a mejorar las ofertas actuales y a potenciar los productos en el futuro. Por ello, estas compañías ocupan posiciones vitales en su mercado y son vistas como inversiones positivas para los traders.

1. Exelon Corporation

EXC Gráfico de precios

Exelon Corporation (EXC ) ingresó al mercado en 2020 tras la fusión de dos empresas energéticas de alto perfil, PECO y Unicom. La compañía es uno de los mayores proveedores de energía en Norteamérica y tiene su sede en Chicago, IL. Es una empresa Fortune 500 y es reconocida como uno de los proveedores más grandes y exitosos del mercado. También tiene un fuerte enfoque en la comunidad, con más de 20 mil empleados dedicados al desarrollo de la fuerza laboral y a impulsar la participación comunitaria.

Exelon es una acción inteligente para añadir a su cartera. La compañía cuenta con seis utilities reguladas y controla más de 101 mil millones de dólares en activos. Además, posee 21 reactores nucleares activos en 12 centrales eléctricas en EE. UU. Todos estos factores posicionan a Exelon como un pionero del mercado y una sabia incorporación a su cartera.

2. Lockheed Martin

LMT Gráfico de precios

Lockheed Martin (LMT ) ingresó oficialmente al mercado tras la fusión de Lockheed y Martin Marietta en la década de 1950. La compañía es pionera en los sectores de aerodinámica, militar, propulsión, rotación y espacial. Por ello, está posicionada de manera única para aprovechar de inmediato los esfuerzos de los investigadores.

Lockheed es responsable de algunos de los aviones más icónicos que han surcado el cielo. También tienen una participación importante en la industria de defensa de EE. UU., donde son conocidos por su aeronáutica de alta tecnología. Una mejor comprensión del WDM podría mejorar sus ofertas de diversas maneras. Por un lado, podría abrir la puerta a nuevos sistemas de propulsión. Además, permitiría a los ingenieros modelar aviones más eficaces utilizando nuevos procesos y modelos.

Cabe destacar que Lockheed Martin es una parte enorme del complejo industrial de EE. UU. Actualmente emplea a más de 122 mil personas a nivel mundial y cuenta con más de 350 instalaciones. Estos factores, sumados a una creciente demanda de sus productos tras preocupaciones de control de calidad de Boeing, han convertido a Lockheed Martin en una sabia incorporación a su cartera.

Futuro de la investigación y aplicaciones del WDM

Puede esperarse que los datos recopilados en este estudio se utilicen de inmediato en múltiples industrias. Los modelos creados ayudarán a los investigadores a avanzar en los campos de la modelación de pulsos de rayos X, lo que mejorará drásticamente las capacidades de monitoreo y ofrecerá una visión de lo que antes era invisible para los investigadores.

Escudos térmicos metálicos de naves espaciales

Un lugar donde el WDM es común es cuando una nave espacial entra en la atmósfera terrestre. Cada vez que una nave reingresa a la atmósfera, la temperatura y la radiación alcanzan un nivel que crea WDM. La investigación presentada en el estudio ayudará a los ingenieros a crear escudos térmicos de naves espaciales más eficientes y resistentes que puedan disipar la energía del WDM de forma segura.

Fusión nuclear controlada (ICF – Fusión por confinamiento inercial)

Los investigadores han soñado durante mucho tiempo con una fusión nuclear de bajo costo. Esta investigación acerca al mundo un paso más a la comprensión y consecución de ese objetivo. El equipo ha presentado evidencia sustancial y nuevos métodos que permiten a futuros investigadores monitorear con precisión los cambios atómicos para crear modelos de fusión más efectivos. Por ello, esta investigación podría, algún día, conducir a energía limpia para todos.

Se necesita más investigación

El estudio ha despertado interés en aprovechar las capacidades del WDM. Actualmente, la sustancia se encuentra en estrellas pequeñas, planetas, enanas, interacciones de haces de partículas, ablación de metales e interacción con láseres intensos. Este nuevo método podría revelar aún más lugares donde existe esta sustancia que construye el universo. Por ello, los investigadores se están preparando para más pruebas en las próximas semanas mientras sus hallazgos pasan por revisión por pares.

Materia Densa Cálida (WDM) – Aún mucho por aprender

Es sorprendente pensar que los investigadores recién están tomando conciencia de cómo funciona el WDM. Este estado material común está en el núcleo de la existencia y, cuanto más gente lo comprende, más evidente se vuelve que podría desbloquear fuentes de energía que superan por órdenes de magnitud a las que se usan actualmente. Por ello, estos investigadores merecen un reconocimiento por ayudar a arrojar luz sobre uno de los misterios más antiguos del universo.

Descubre otros proyectos espaciales ahora ahora.