El láser de rayos X SHINE de China logra su primera luz mientras Shanghái apunta a inaugurarlo en 2027

Un haz de 4 GeV acerca un importante proyecto de Shanghái a su puesta en marcha

La instalación de investigación SHINE de China, en Shanghái, ha producido su primera luz de láser de electrones libres con un haz de electrones de 4 gigaelectronvoltios (GeV), la mitad de la energía prevista para el acelerador terminado. La Universidad de ShanghaiTech anunció el avance el 21 de octubre, lo que marca un importante paso hacia el objetivo del proyecto de completarse y entrar en funcionamiento a finales de 2027.

La primera luz se generó con 18 módulos de ondulador, cada uno de 4 metros de longitud y con un patrón magnético que se repite cada 55 milímetros. En conjunto, esos módulos suman 72 metros de estructuras magnéticas que guían los electrones rápidos por una trayectoria sinuosa y hacen que emitan luz, que se amplifica hasta formar un intenso pulso láser.

SHINE, sigla en inglés de Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility, está diseñado para ayudar a los científicos a examinar estructuras a escala de nanómetros y cambios que duran femtosegundos. Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro; un femtosegundo es la millonésima parte de una milmillonésima de segundo. Estas escalas permiten a los investigadores estudiar las diminutas estructuras y los rápidos movimientos de átomos y moléculas.

La construcción comenzó en abril de 2018. Una vez terminado, se espera que el acelerador lineal superconductor alcance los 8 GeV, y que algunos modos de operación produzcan hasta un millón de pulsos de rayos X por segundo. Se prevé que las dos primeras líneas de onduladores cubran energías de fotones de 0,2 a 15 kiloelectronvoltios (keV).

El logro inmediato es la producción de luz láser durante la puesta en servicio, el proceso de poner los equipos en funcionamiento y comprobar su rendimiento. Los experimentos rutinarios para investigadores visitantes forman parte de la transición prevista a la operación en 2027. ShanghaiTech no ha anunciado una fecha exacta de apertura ni un calendario para las solicitudes de los investigadores.

Cómo los electrones en movimiento producen un láser de rayos X

SHINE comienza con electrones, en lugar del material que produce luz y que se encuentra en muchos láseres conocidos. Su acelerador lineal suministra energía a esos electrones y luego los envía a través de onduladores, donde campos magnéticos alternos los hacen moverse de un lado a otro y emitir radiación.

Los electrones y la radiación interactúan mientras avanzan por módulos sucesivos. En condiciones adecuadas, los electrones se agrupan en pequeños conjuntos que emiten al unísono, lo que intensifica la luz hasta convertirla en un potente pulso. La energía de los electrones y la separación entre las estructuras magnéticas ayudan a determinar la energía de los fotones resultantes, las partículas individuales que componen la luz.

La cifra de 4 GeV describe el haz de electrones utilizado para producir la primera luz. El intervalo de 0,2 a 15 keV describe los fotones que se espera obtener de las dos primeras líneas. Son mediciones de distintas partes de la máquina: aquí, GeV se refiere a las partículas que impulsan el proceso, mientras que keV se refiere a los rayos X que se utilizarán en los experimentos.

SHINE utiliza un acelerador superconductor de onda continua. Los componentes superconductores funcionan a temperaturas muy bajas y conducen corrientes eléctricas con muy poca resistencia. La operación de onda continua permite que los campos de radiofrecuencia del acelerador funcionen sin interrupción y generen trenes frecuentes de electrones, en lugar de depender de ráfagas muy espaciadas.

Tres líneas de luz con distintos intervalos de energía

La primera fase en su conjunto es más amplia que el equipo utilizado para el hito de la primera luz. El artículo de progreso de 2024 del proyecto, presentado en la Conferencia Internacional de Aceleradores de Partículas, describe tres líneas de onduladores, tres líneas de transporte de rayos X y 10 estaciones experimentales, con un intervalo de energía de fotones de referencia de 0,4 a 25 keV.

FEL-I está diseñado para 3 a 15 keV, FEL-II para 0,4 a 3 keV y FEL-III para 10 a 25 keV. FEL-II produce los rayos X de menor energía, o más blandos. Las otras dos líneas producen rayos X más duros, que tienen mayor energía de fotón y longitudes de onda más cortas.

El intervalo de 0,2 a 15 keV del último anuncio corresponde a las dos primeras líneas. El intervalo de referencia más amplio, de 0,4 a 25 keV, incluye FEL-III. El artículo de 2024 también describe una derivación añadida que llevaría un haz de electrones de 5 GeV a FEL-II y ampliaría su producción hasta los 0,2 keV.

El mismo artículo especifica 42 onduladores planares para FEL-I y 32 para FEL-II, además de cuatro onduladores posteriores que pueden ajustar la polarización, es decir, la dirección en la que oscila el campo eléctrico de la luz. Los 18 módulos utilizados para producir la primera luz representan una configuración de puesta en servicio dentro de esta instalación más amplia prevista.

El rendimiento también varía según la línea. El diseño prevé para FEL-I y FEL-II pulsos de unos 30 femtosegundos y frecuencias de repetición de hasta 1 MHz, es decir, un millón de pulsos por segundo. Un estudio técnico de 2023 indica que FEL-III alcanzaría hasta 0,1 MHz, o 100.000 pulsos por segundo.

Qué podrían observar los científicos con pulsos tan breves

Las ciencias de la vida, los materiales cuánticos y la investigación sobre energía del futuro figuran entre los usos previstos de SHINE. La combinación de escalas espaciales pequeñas y exposiciones muy breves es fundamental para esos objetivos: los investigadores quieren conocer tanto la disposición de la materia como la forma en que cambia.

Un pulso breve de rayos X puede captar una etapa de un proceso rápido. Repetir un experimento con distintos intervalos entre el inicio del proceso y la observación puede ayudar a los investigadores a reconstruir una secuencia de cambios, como los fotogramas separados que forman una película. Los pulsos frecuentes ofrecen más oportunidades para obtener mediciones, lo que puede ser especialmente útil cuando las señales individuales son débiles.

Está previsto que las estaciones experimentales iniciales utilicen imágenes por difracción coherente, espectroscopia ultrarrápida de rayos X, mediciones de fotoelectrones y cristalografía serial de femtosegundos. Las imágenes por difracción reconstruyen estructuras a partir del patrón que se forma cuando los rayos X se dispersan en una muestra. La espectroscopia estudia cómo la materia absorbe o emite radiación y revela información sobre su estructura electrónica.

La cristalografía serial de femtosegundos obtiene patrones de difracción de muchos cristales diminutos expuestos a pulsos muy breves. Las técnicas de fotoelectrones miden los electrones liberados por la luz y ayudan a los investigadores a estudiar el comportamiento de los electrones dentro de los materiales. En conjunto, los métodos previstos ofrecen varias formas de relacionar la estructura microscópica con cambios físicos o químicos rápidos.

Mayor control de la propia luz

La línea de rayos X blandos de SHINE está diseñada para ofrecer varios modos de operación, en lugar de un único tipo de pulso. Un estudio de la línea de luz de 2023 publicado en Frontiers in Physics describe como opciones de referencia la emisión espontánea autoamplificada, la siembra propia, la siembra externa y el control de la polarización.

En la emisión espontánea autoamplificada, conocida habitualmente como SASE por su sigla en inglés, el láser se genera a partir de la radiación inicial de los propios electrones. La siembra utiliza, en cambio, una señal inicial más controlada. La siembra propia filtra parte de la radiación de rayos X y la utiliza para impulsar una amplificación adicional; la siembra externa comienza con un láser independiente. Estos métodos buscan producir luz con un espectro y una estructura temporal más controlados con precisión.

El estudio describe un radiador de rayos X blandos con 32 módulos de 4 metros de longitud cada uno, que utiliza un período magnético principal de 55 milímetros. Catorce módulos anteriores se diseñaron con períodos intercambiables de 55 y 75 milímetros. Esa flexibilidad permite distintas condiciones y técnicas de operación para convertir la radiación de un láser de siembra en longitudes de onda más cortas.

Algunas tecnologías relacionadas ya se habían probado en la instalación independiente de láser de electrones libres de rayos X blandos de Shanghái, conocida como SXFEL. El estudio registra emisión láser en los armónicos 47 y 54 mediante la generación de armónicos habilitada por eco, un método que organiza los electrones para que emitan en múltiplos de la frecuencia de un láser de siembra. También registra una señal en el armónico 61.

A finales de 2022 se probó en SXFEL un monocromador, un instrumento óptico que selecciona un intervalo estrecho de energías de fotones. El instrumento alcanzó un poder de resolución superior a 5.300 a 520 electronvoltios. Este trabajo de desarrollo respalda los esfuerzos para producir en SHINE pulsos de rayos X seleccionados con mayor precisión. El estudio también analiza posibilidades futuras, como pulsos de attosegundos, cada uno mil veces más breve que un femtosegundo.

Un láser de 100 petavatios para condiciones extremas

SHINE también prevé una Estación de Luz Extrema que combinaría su láser de electrones libres con un láser ultracorto de 100 petavatios. El proyecto la describe como la primera estación experimental del mundo que combina un láser de esa potencia con un láser de electrones libres.

Un petavatio equivale a un cuatrillón de vatios. La cifra de 100 petavatios se refiere a la potencia máxima durante un pulso extremadamente breve. Concentrar energía en un intervalo tan corto crea campos electromagnéticos intensos para realizar experimentos con materia en condiciones extremas.

El artículo de progreso de 2024 identifica la electrodinámica cuántica de campos intensos como uno de los objetivos de investigación de la estación. La electrodinámica cuántica describe cómo interactúan la luz y las partículas con carga eléctrica. Los campos extremadamente intensos permiten estudiar esa interacción en condiciones muy distintas de las que se encuentran en los experimentos habituales de laboratorio.

La instalación combinada también busca facilitar la física de altas densidades de energía, que estudia la materia con una gran cantidad de energía concentrada en un volumen pequeño. Combinar un láser óptico intenso con una sonda de rayos X en un mismo experimento permitiría crear condiciones extremas y examinar lo que ocurre en ellas.

Coordinar una máquina de más de 3 kilómetros

SHINE se extiende aproximadamente 3,1 kilómetros y está construida a unos 29 metros bajo tierra. Su escala convierte la sincronización, el control de los equipos y la protección rápida en partes esenciales del instrumento científico, junto con el acelerador y los imanes.

Un artículo sobre el sistema de control publicado en Nuclear Engineering and Technology describe un sistema destinado a controlar hasta 10.000 dispositivos. Entre ellos hay fuentes de alimentación, láseres, equipos de vacío y otros componentes distribuidos por el complejo del acelerador.

El sistema utiliza el marco de trabajo del Sistema de Control de Física Experimental e Industrial, conocido como EPICS, para conectar los controles de los equipos con las interfaces de los operadores, la recopilación de datos y la supervisión. Una red de sincronización basada en la tecnología White Rabbit distribuye señales de reloj por toda la instalación. El sistema de sincronización del inyector se había instalado y utilizado con éxito, y distribuía señales a 1,003086 MHz.

La protección de la máquina es otra tarea exigente. El diseño supervisa unas 5.000 señales de fallo y utiliza electrónica programable para reducir o detener el haz cuando las condiciones de los equipos lo requieren. El artículo indica tiempos de respuesta inferiores a un microsegundo dentro de una estación y a 30 microsegundos entre estaciones. La protección rápida ayuda a limitar los daños si un haz potente se desvía de las condiciones previstas.

Cuando se presentó ese artículo, solo el inyector funcionaba y el sistema de control del acelerador completo seguía en desarrollo. El posterior anuncio de la primera luz marca una etapa más avanzada de la puesta en servicio. La integración del acelerador, el transporte de la radiación, los sistemas de protección y las estaciones experimentales sigue siendo fundamental para la transición prevista al uso científico habitual.

Quién construye SHINE y qué viene después

La Universidad de ShanghaiTech es la entidad legal responsable de la construcción. Sus tareas incluyen la planificación del proyecto, la supervisión de ingeniería, la gestión de calidad y seguridad, y la futura operación y el acceso abierto. También es responsable de la obra civil, de cinco estaciones experimentales y de una parte de la construcción de las líneas de luz.

El Instituto de Investigación Avanzada de Shanghái de la Academia China de Ciencias es responsable del acelerador, los onduladores, los servicios y algunas líneas de luz. El Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái está construyendo la estación de la línea de luz de fotofísica extrema. Esta distribución de responsabilidades reparte entre varias instituciones el acelerador, los equipos experimentales y la futura operación para los usuarios.

Los hitos publicados del proyecto muestran el avance desde la construcción subterránea hasta la puesta en servicio del haz:

• Abril de 2018: comenzó la construcción civil en Shanghái.
• Finales de 2022: una prueba de un monocromador en SXFEL alcanzó un poder de resolución superior a 5.300 a 520 electronvoltios.
• Abril de 2023: comenzó la instalación del inyector de SHINE.
• Finales de 2023: se habían terminado todos los pozos y túneles, según el artículo de progreso de 2024.
• Anuncio del 21 de octubre: ShanghaiTech informó de la primera luz con un haz de electrones de 4 GeV y 18 módulos de ondulador.
• Finales de 2027: SHINE prevé completar el proyecto y ponerlo en funcionamiento.

Los calendarios técnicos anteriores fueron cambiando a medida que avanzaba la construcción. El estudio de la línea de luz de 2023 preveía que la puesta en servicio de FEL-II comenzara en la primavera de 2025. El artículo de progreso de 2024 consideraba posible, aunque difícil, lograr la primera emisión láser a finales de 2025, y preveía que los experimentos de usuarios comenzaran en 2027. El anuncio más reciente fija como objetivo completar SHINE y ponerlo en funcionamiento a finales de 2027.

SHINE se describe como una de las dos instalaciones de este tipo que combinan pulsos frecuentes con capacidad de láser de electrones libres de rayos X duros. La otra es la actualización de alta energía de Linac Coherent Light Source II, que se está construyendo en Estados Unidos. Para los investigadores, el valor práctico del proyecto de Shanghái dependerá del acceso a los intervalos de energía, los modos de pulso y las estaciones experimentales previstos una vez concluida la puesta en servicio.

Puntos clave

• SHINE ha logrado producir su primera luz en Shanghái con un haz de electrones de 4 GeV y 18 módulos de ondulador.
• El acelerador terminado está diseñado para alcanzar los 8 GeV, el doble de la energía de los electrones utilizada en este hito.
• Se espera que las dos primeras líneas cubran de 0,2 a 15 keV; el intervalo de referencia de las tres líneas llega a 25 keV.
• Algunos modos de operación buscan producir un millón de pulsos de rayos X por segundo, con una duración de decenas de femtosegundos.
• La primera fase prevé 10 estaciones experimentales, incluida una que combinará rayos X con un láser de 100 petavatios.
• La Universidad de ShanghaiTech dirige el proyecto, cuya finalización y puesta en funcionamiento están previstas para finales de 2027.