Fuente de Luz Avanzada (ALS) de Berkeley: sincrotrón líder en rayos X blandos
ALS Berkeley: sincrotrón líder en rayos X blandos y UV, con >40 líneas y 2.000+ investigadores anuales; acceso para usuarios y uso gratuito si los resultados se publican.
La Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, es una fuente de luz de sincrotrón. Se construyó entre 1987 y 1993. Actualmente trabajan en ella 210 científicos y personal.
El ALS es una instalación nacional de usuarios. El ALS produce luz intensa para la investigación científica y tecnológica. Es una de las fuentes más brillantes del mundo de rayos ultravioleta y rayos X blandos. Cada año acuden al ALS más de 2.000 investigadores procedentes de universidades, industrias y laboratorios gubernamentales de todo el mundo. El ALS está financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
El ALS cuenta con más de cuarenta líneas de luz. Éstas realizan una amplia gama de actividades científicas al mismo tiempo. Cualquier científico cualificado puede solicitar el uso de las líneas de luz del ALS. Las propuestas son revisadas por otros. Las propuestas con las que la mayoría está de acuerdo son autorizadas a utilizar el ALS. El ALS no cobra dinero por su uso si la investigación del usuario se hace pública.
El actual director de la Fuente de Luz Avanzada es Roger Falcone.
Qué es y cómo funciona
Un sincrotrón como el ALS genera luz brillante y altamente dirigida al acelerar electrones casi a la velocidad de la luz en un anillo de almacenamiento. El ALS es una fuente de tercera generación que produce radiación mediante imanes (bending magnets) y dispositivos de inserción como undulators y wigglers. Estos equipos permiten obtener luz coherente y con alto brillo en bandas que abarcan desde el ultravioleta lejano hasta los rayos X blandos, lo que posibilita experimentos con resolución espacial, energética y temporal muy alta.
Datos técnicos típicos: energía de la bancada de electrones alrededor de 1.9 GeV, múltiples puntos de emisión (líneas de luz) y una variedad de modos experimentales para técnicas como espectroscopía, microscopía, difracción y estudios de dinámica ultrarrápida.
Aplicaciones científicas y tecnológicas
La luz del ALS permite investigar problemas en campos muy diversos:
- Materiales y electrónica: estudios de superficies, interfaces y materiales 2D (por ejemplo grafeno y otros materiales con propiedades electrónicas complejas).
- Ciencia de los condensados: análisis de estructuras y transiciones de fase a escala nanométrica.
- Catálisis y química ambiental: identificación de estados de oxidación, especies químicas y mecanismos de reacción en condiciones reales.
- Biología y biomateriales: imagen y espectroscopía de tejidos, proteínas y complejos biológicos con contraste elemental y químico.
- Nanociencia y nanotecnología: caracterización de nanopartículas, dispositivos nanoelectrónicos y procesos de fabricación a escala nanométrica.
- Ciencias energéticas: investigación de materiales para baterías, celdas de combustible y conversión/almacenamiento de energía.
Líneas de luz y acceso de usuarios
Cada una de las más de cuarenta líneas de luz está equipada para técnicas específicas (p. ej., ARPES, espectroscopía de absorción, microscopía de rayos X, difracción de alta resolución). Muchas ofrecen entornos experimentales avanzados: cámaras de ultra alto vacío, criostatos, células de reacción operando en condiciones reales, detectores rápidos y estaciones de preparación de muestras.
El acceso se gestiona mediante un programa de usuarios: los investigadores presentan propuestas técnicas y científicas que son evaluadas por comités de pares. Las propuestas aprobadas reciben tiempo de haz; para la mayoría de los programas competitivos, el acceso es gratuito siempre que los resultados se publiquen abiertamente. Además existen vías para acceso de emergencia, colaboración industrial y proyectos con acceso restringido cuando hay acuerdos de confidencialidad.
Soporte, formación y gestión de datos
El ALS proporciona soporte técnico y científico a los usuarios: personal de línea, ingenieros y científicos ayudan en el montaje, calibración y realización de experimentos. Se ofrecen entrenamientos y cursos para nuevos usuarios, y muchas líneas permiten acceso remoto o control en tiempo real para experimentos que no requieren presencia física.
La gestión y el almacenamiento de datos es parte integral de la operación: los usuarios reciben herramientas para procesar y analizar grandes volúmenes de datos experimentales, y hay políticas para la preservación y acceso de datos según los requisitos del Departamento de Energía y las mejores prácticas científicas.
Historia reciente y modernización (ALS-U)
Además de su operación científica regular, el ALS ha liderado iniciativas de modernización. El proyecto ALS-U (Advanced Light Source Upgrade) busca renovar la arquitectura de la máquina para aumentar el brillo y la coherencia de la luz generada mediante una configuración avanzada de multi-bend achromat. El objetivo es mejorar drásticamente la resolución espacial y la capacidad para experimentos que requieren luz altamente coherente, lo que ampliará las capacidades en nanociencia, espectroscopía y microscopía de rayos X.
Impacto y colaboración
Como instalación de usuarios, el ALS actúa como un centro colaborativo que une a universidades, industria y laboratorios gubernamentales. Los resultados obtenidos en sus líneas de luz han contribuido a avances en electrónica, energía, medio ambiente, medicina y ciencia de materiales. El intercambio de tecnologías y metodologías entre el ALS y la comunidad científica global es continuo y multiplica el impacto de la instalación.
Consideraciones prácticas
- Seguridad: los usuarios deben cumplir normas estrictas de seguridad radiológica y de laboratorio; hay procedimientos de acceso y formación obligatoria.
- Propiedad intelectual: existen opciones contractuales para acuerdos confidenciales o comerciales cuando es necesario, aunque el programa estándar promueve la publicación abierta.
- Colaboración: investigadores interesados pueden contactar al ALS para conocer las líneas de investigación, los tiempos de convocatoria de propuestas y los requisitos de preparación de experimentos.
En conjunto, la Fuente de Luz Avanzada de Berkeley sigue siendo una instalación clave para la investigación en rayos ultravioleta y X blandos, combinando capacidades técnicas avanzadas, un programa de usuarios amplio y proyectos de renovación que buscan mantener y ampliar su liderazgo científico.
Historia
Los físicos de Berkeley, California, comenzaron a trabajar en la aceleración de partículas subatómicas en la década de 1920. En 1929, Ernest O. Lawrence construyó el primer ciclotrón para acelerar partículas subatómicas. Durante la Segunda Guerra Mundial, un laboratorio de allí formó parte del Proyecto Manhattan. Recibieron dinero de los militares. En 1942, Lawrence contrató a Arthur Brown, Jr. (diseñador de la Coit Tower de San Francisco) para diseñar un nuevo edificio redondo que albergara el nuevo ciclotrón de Lawrence, de 4,67 m. Ese edificio, con ampliaciones, es el que ocupa hoy el ALS. El laboratorio formó parte de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos hasta 1977, cuando se trasladó al Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Los físicos siguieron mejorando los aceleradores de partículas aumentando su energía. Los diseñadores querían una mayor energía para estudiar los bloques de construcción más pequeños de la materia. Desde el principio, los físicos se dieron cuenta de que, al girar las partículas cargadas, éstas emitían radiación electromagnética. A principios de la década de 1950, otros científicos empezaron a utilizar esta radiación para experimentos no relacionados con las colisiones de "destrucción de átomos" que eran el objetivo principal de las máquinas. Los aceleradores de partículas pasaron de ser ciclotrones a sincrotrones, en los que las partículas viajaban en círculo en lugar de hacerlo en espiral. Los costes de construcción aumentaron a medida que los sincrotrones se hacían más grandes, hasta el punto de que muchos países se unieron para construir un solo sincrotrón muy grande en Europa (CERN) para realizar experimentos de destrucción de átomos. Otros laboratorios de sincrotrón, como el Lawrence Berkeley Lab, no tenían suficiente energía para descubrir nuevas partículas. Así que pasaron a utilizar sus máquinas como fuente de radiación electromagnética. En lugar de ajustar la máquina para que las partículas viajaran más rápido, aprendieron a mover el haz de partículas para que emitieran determinadas frecuencias de luz. En las décadas de 1980 y 1990, los científicos quisieron rediseñar los sincrotrones para generar una luz más brillante (una radiación electromagnética más intensa) que nunca. Estos diseños se denominaron "sincrotrones de tercera generación". El ALS fue el primer sincrotrón de tercera generación puesto en funcionamiento.
Cuando el antiguo director del Lawrence Berkeley Lab, David Shirley, propuso por primera vez la Fuente de Luz Avanzada, los escépticos la apodaron "el Templo de Shirley" y dudaron de la utilización de un sincrotrón ajustado para producir rayos X blandos y luz ultravioleta. Según el antiguo director del ALS, Daniel Chemla, "los argumentos científicos a favor de una instalación de rayos X blandos de tercera generación como el ALS siempre han sido fundamentalmente sólidos. Sin embargo, conseguir que la comunidad científica en general lo creyera fue una batalla ardua"
En el presupuesto de la administración Reagan de 1987, el presidente Ronald Reagan asignó 1,5 millones de dólares para la construcción de la Fuente de Luz Avanzada.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la Fuente de Luz Avanzada?
R: La Fuente de Luz Avanzada (ALS) es una fuente de luz de sincrotrón situada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, que produce luz intensa para la investigación científica y tecnológica.
P: ¿Cuándo se construyó la ALS?
R: El ALS se construyó entre 1987 y 1993.
P: ¿Cuántos científicos y personal trabajan actualmente en el ALS?
R: Actualmente, 210 científicos y personal trabajan en el ALS.
P: ¿Es el ELA una instalación de usuario nacional?
R: Sí, el ELA es una instalación nacional de usuarios.
P: ¿Qué tipo de investigación facilita el ELA?
R: El ELA facilita la investigación científica y tecnológica utilizando haces de rayos ultravioleta y rayos X blandos.
P: ¿Quién financia el ELA?
R: El ELA está financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de Estados Unidos.
P: ¿Cómo obtiene un científico acceso para utilizar las líneas de luz del ALS?
R: Cualquier científico cualificado puede solicitar utilizar las líneas de luz del ALS, y las propuestas son revisadas por otros. A las propuestas más consensuadas se les permite utilizar el ALS, y no se cobra por su uso si la investigación se hace pública.
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