Los láseres de electrones libres (FEL, por sus siglas en inglés) convierten la energía cinética de un haz de electrones en radiación electromagnética, es decir, en poderosos pulsos de luz o fotones y pueden operar en la región de los rayos X. En este caso se obtienen los llamados X-FEL’s, o, láseres de electrones libres de rayos X que, en broma, los científicos conocen como “máquinas para hacer descubrimientos” debido a sus enormes y variadas aplicaciones. Estos instrumentos son usados para crear condiciones extremas en investigación de materia caliente de alta densidad, para estudiar las propiedades de los materiales utilizados en las próximas generaciones de microchips, para descifrar la compleja estructura de biomoléculas utilizadas en nuevos medicamentos, entre muchas otras aplicaciones.
La parte central de los Láseres de Electrones Libres es un dispositivo llamado “ondulador” compuesto por una larga cadena de campos magnéticos alternados. Al pasar el haz de electrones por el ondulador, los electrones tendrán un movimiento senoidal emitiendo micro pulsos de radiación electromagnética. La radiación obtenida será amplificada exponencialmente al pasar por el ondulador y se convertirá en un haz coherente. El resultado es un pulso de radiación láser muy intenso. Técnicamente lograr esto es muy difícil pues el haz de electrones viaja a velocidades relativistas y sincronizarlos con los campos magnéticos del ondulador es complicado. Los láseres de electrones libres que emiten en la región de rayos X en el mundo son muy pocos y también son enormes, tienen dimensiones kilométricas y construirlos cuesta miles de millones de dólares, en estos láseres la parte más voluminosa y costosa es precisamente el acelerador de electrones.
Actualmente investigadores de la Universidad de Strathclyde en Gran Bretaña están estudiando una nueva idea para obtener el haz de electrones requeridos (ver: A. F. Habib, “Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit”, Nature Communications, 2023; 14-1) consistente en utilizar un fotocátodo de plasma que produce haces de electrones cien mil veces más intensos que los utilizados actualmente. Este sistema también utiliza un método de aceleración con una capacidad de cientos de Gigavolts por metro lo cual permite reducir también el volumen final del instrumento pues el acelerador de electrones puede ahora tener un tamaño medido en centímetros y no en kilómetros como los aceleradores lineales actuales. Para el trabajo experimental inicial se utilizará el acelerador SLAC del Departamento de Energía de los Estados Unidos, que es operado por la Universidad de Stanford. Este acelerador tiene una longitud de tres mil doscientos metros (dos millas) y acelera a los electrones a energías de cincuenta Giga-electron-volts.