X izpizko laserra

Objektu bat ikusi nahi izanez gero, argiztatu beharra dago. Baina argia, argi ikuskorra, uhin-luzera jakin batzuetako erradiazio elektromagnetikoa da eta uhin-luzera horiek baino objektu txikiagorik ez dago ikusterik. Gutxi gora-behera marrazkilari bati lapitzaz gertatzen zaionaren antzekoa da. Paperean etxe bat marraztu nahi badu, nahitaez papereko etxearen tamainak lapitzaren puntak baino handiagoa izan behar du. Lapitz horren puntaren lodiera baino etxe txikiagorik ezin du marraztu paperean erreminta horrekin.

Erradiazio-motak

Hona hemen minbiziak jotako zelulen lehen irudia. X izpizko laserrez hartu ahal izan da Princentongo unibertsitateko laborategietan. X izpizko laserrari esker zelulak hondatu gabe barnea ikus daiteke. Laster hologramen bidez hiru dimentsioko irudiak lortu ahal izango dira.

Argi ikuskorraren uhin-luzera, 10 ^-6 eta 10 ^-7 metro ingurukoa izaten da, hau da, milimetroaren milarenaren ingurukoa. Beraz, tamaina hori baino objektu txikiagorik ezin da ikusi argi ikuskorreko erradiazioaz. Fisikariek horretarako, erradiazio ultramorezko laserrak erabili dituzte orain arte, uhin-luzera laburragokoak direlako, baina pertsona eta animalien zelulak ikusi nahi direnean, ultramorezko erradiazioek ere uhin luzera handiegia dute. 1,5x10 ^-7 m-ko (edo 1.500 ångströmeko) uhin luzeratik behera ordea, X izpien eta gamma izpien arloan laserrak fabrikatzeko arazo handiak daude. Denak ere erradiazio elektromagnetiko badira (uhin-luzera besterik ez dute desberdina), zergatik daude oztopo horiek?

Fisika atomikora jo beharra dago hori argitzeko. Argia, atomoek energi mailan aldaketak izandakoan igortzen dituzten fotoiz osatua dago. Nukleo inguruan biraka ari diren elektroietan dago horren giltza. Atomoa bere oinarrizko energi egoeran dagoenean, elektroiak lasai ibiltzen dira beren orbitan. Atomoa eszitatzen denean ordea, elektroiek energia jasotzen dute, eta zenbat eta energia handiagoa jaso, hainbat eta orbita handiagora heltzen dira. Atomoaren eszitazioa amaitzen denean, elektroiak maila txikiagoko energia duen orbitara jaisten dira, fotoiak igorriz. Igorpenaren uhin-luzera, elektroien hasierako eta bukaerako orbiten araberakoa izaten da.

Laserraren oinarria

Eguzkiak edo kandelak igortzen duen argian, norabide guztietara eta uhin-luzera desberdinetan zabaltzen dira fotoiak. Laser mekanismoa ere funtsean berdina da, baina fotoi-igorpena norabide bakarrekoa eta uhin-luzera bakarrekoa izanik.

Hobeto ulertzeko, konparazio bat egingo dugu. Elektroiak balak direla pentsatuko dugu eta orbitak eskailera zaratatsu bateko mailak. Fotoiak, balek eskailera-mailak jotakoan ateratako zarata izango dira, bakoitzak tonu jakin bat izango duelarik. Balak eskailburutik zoriz botatzen badira, nota askotako soinu ahula aterako da. Baina bala guztiak batera eta maila batera jaurtitzen badira, maila horri dagokion nota indartsu entzungo da.

Horixe da, hain zuzen, laserrak egiten duena. Izan ere fisikariek elektroien joera bat aprobetxatzen dute, hauek baldintza batzuetan beti ere energi maila batzuetara joateko joera dutelako. Baldintza horiek sortzea da egin behar dena.

Kanpoko erradiazio-iturri baten bidez, gorputz bateko (solido, likido edo gasa izan daiteke) atomo asko eszitazio-egoera berdinean jarriko dira. Eragiketa horri “ponpaketa optiko” deitzen zaio eta horrela eszitatutako atomoek gehiengoa osatzen dutenean, fisikariek “populazio-alderanzketa” egon dela esaten dute. Horrek ematen dio hasiera laser efektuari.

Eszitatutako populazioko atomo batek igorritako fotoiak, aukera handiak ditu berdin eszitatutako beste atomo batekin talka egiteko. Azken hau “deseszitatu” egiten da, erasotzailearen energia eta norabide bereko fotoia igorriz. Fotoi honek ere, aurrekoaren gauza bera egiten du. Beraz, erreakzio-multzo batek berehala anplifikatuko du eragindako erradiazioa. Intentsitate handia lortzen duen mekanismoa, barrunbe optikoa da. Bi ispilu paralelo ditu, laser efektua sortzen den lekura fotoiak bidaltzeko. Fotoien atzera-aurrera bakoitzean erradiazioa anplifikatu egiten da horrela eta ispiluetako batean dagoen zirrikitu txiki batetik ihes egiten du.

Fotoi-fluxu hau eta goritasunezko lanpara elektrikoaren hariak igorritako fluxua oso bestelakoak dira. Lanparan argiak norabide guztietara irteten du, eta energi kopuru jakin batentzat intentsitatea txikiagoa da harizpia loditu ahala. Laser-fluxua aldiz, oso kono estuaren barnera gidatzen da, eta gainera laserra sortzen deneko gorputza zenbat eta luzeagoa izan (edo fotoiek zenbat eta atzera-aurrera gehiago egin), hainbat eta handiagoa da intentsitatea. Fotoiak energi maila (edo uhin-luzera) berdinekoak dira.

X izpien zailtasunak

Estatu Batuetako Lawrence Livermore laborategietako Nova laserra erakusten da irudian. Munduko potenteena da eta zentruan elkartzen dituen sei izpiek 100 kilojouleko energia askatzen dute. Horietako bi izpi seleniozko atomoak jo eta neonaren antzeko ioiez plasma sortzeko erabiltzen dituzte.

Laserraren eskema orokor hau, argi ikuskorrean edo erradiazio ultramorean erraz gauzatzen da, baina orain arte ezinezkoa izan da X izpizko laserrik egitea. X izpiak isladatzeko gai ziren ispiluak ez egotea izan da horretarako arrazoietako bat, baina oztopo larriagorik ere bada. Lege fisiko batek dioenez, erradiazioaren uhin-luzera zenbat eta txikiagoa izan, berezko igorpena hainbat eta handiagoa da. Uhin-luzera hamar aldiz txikiagoa bada, adibidez, berezko igorpena mila aldiz handiagoa da. Horregatik, eszitatutako erradiazioa berez igorritako fotoi ugarietan murgildu egiten da eta X izpizko laserrik ezin da erradiazio nahasi horretan bereizi. Beraz, X izpizko laserrarentzat irtenbiderik ez ote dago?

Gatozen lehen aipatu dugun laserraren oinarrira berriro. Guk “populazio-alderanzketa” berezia eragin behar dugu eta oso eszitatutako atomoek energi maila jakin batetik beste maila jakin batera jaitsi behar dute X izpiak igor ditzaten. Teorikoki posible dela 70.eko hamarkadaren erdialdera frogatu zen, baina praktikan erdizka baino ez da lortu, behar diren eszitazio-mailen bizitza oso laburra delako (segundoaren bilioirenaren edo pikosegundoaren parekoa, 10 ^-12 s, gutxi gora-behera). Argi ikuskorrean aldiz, eszitazio-mailen bizitza berrogei nanosegundo (10 ^-9 segundo) ingurukoa da, eta denborak gora egiten du erradiazioaren uhin-luzera handiagoa den neurrian.

Fisikariek arazo handiak dituzte atomoetan X izpien mailako eszitazioak lortzeko. Ponpaketa optikoaz baliatuko balira izan ere, argi-iturria lurrindu edo hegazkortu egingo bailitzateke erabilitako iturriak oso indartsua izan beharko lukeelako.

Konponbidea plasma erabiltzea izan daiteke. Materiala plasma-egoeran dagoenean, bere atomoak hain eszitaturik daudenez hodei elektronikoaren zati bat (edo guztia) galdua edukitzen dute. Plasma hauek oso bero daudenean, hau da, oso eszitaturik daudenean, berez X izpietako erradiazioa emititzen dute. Gainera oso azkar berotzen eta hozten dira atomoak eta plasman zurrunbiloak, presioak eta depresioak ugari izaten dira. Ondorioz, populazio-alderanzketak berez sor litezke.

Dena den, azken urteotan laborategi batzuetan X izpizko laserraz saio batzuk egin dituzte. Iparrameriketan Livermore laborategietan Denis Matthews eta Princenton-en Szimon Suckewer izan ziren helburua lehen aldiz lortutakoak, eta Frantzian Orsay-ko unibertsitatean Pierre Jeagle fisikaria. 43,2 eta 200 ångström bitarteko uhin-luzerak dituzten X izpizko laserrak erabili dituzte.

X izpiak nola sortu

X izpiak sortzeko bi bide daude. Lehenengoan elektroi askeen eta plasmako ioien arteko talkak erabiltzen dira. Talkak ioia eszitatu egiten du eta bertako elektroi batzuk orbita handiagora pasatzen dira. Gero “deseszitatu” egiten dira, baina elektroiak ahalik eta orbitarik baxuenera itzultzen dira. Horrela energia eta norabide jakineko X fotoiak askatzen dira, hau da, laser izpia sortzen da. Livermore laborategian Nova izeneko laserra dute; munduko potenteena. Denis Mathewsen taldeak laser honen bi izpi erabiltzen ditu; 20.000 milioi kilowat, alegia. Selenio atomoei Nova laserrak 34 elektroietatik 24 kentzen dizkie eta 10 dituztela uzten ditu (neonak ere 10 elektroi dituelako ioi hauek neon antzekoak direla esaten da). Frantziako Limeil-en (Val-de-Marne-n) Energia Atomikorako Batzordearen Phebus laserra erabiltzen dute selenio atomoak jotzeko.

Princentongo Szimon Suckewer-en taldeak, Ingalaterrako Rutherford laborategiak eta Frantziako Orsay-ko Pierre Jeagle-ren taldeak, beste “birkonbinazio” izeneko fenomenoa erabiltzen dute. Elektroiak plasmako nukleotara erori egiten dira (atomoak birkonbinatu egiten dira) laserrezko talkaz gero hozten denean. Horrela hasieran aipatutako eskailerako goiko mailak behekoak baino lehenago betetzen dira, laser fenomenoaren oinarrian dagoen populazio-alderanzketa sortuz. Szimon Suckewer-ek karbono-atomora zuzentzen du izpia eta elektroi bakarrarekin uzten du (hidrogenoak bezala). Pierre Jeaglek aluminio-atomoekin egiten du lan eta hiru elektroi baino ez dizkio uzten (litioak bezala). Hau da biderik merkeena, zeren eta nukleora sendoen lotuta dauden eta erauztea gehiena kostatzen diren elektroiak bertan uzten baitira.

Pierre Jeaglek dioenez, X izpizko laserretan talkaren teknikak aurrera egiten badu, oso garestia eta oso tresna astuna izango da. Baina birkonbinazioaren bideak aurrera egiten badu, askoz potentzia txikiagoa erabilita lortuko dira X izpizko laserrak, askoz ere merkeagoak izango dira eta azkenean edozein laborategitan erabili ahal izango dira.