Investigadores de ASU utilizan diamantes para obtener energía eléctrica

Nota del editor: Esta es la cuarta entrega de una serie de cinco partes que describen a los investigadores que trabajan en el láser compacto de electrones libres de rayos X de ASU. Lea las otras entregas: Preguntas y respuestas con la profesora de Regents, Petra Fromme, el científico jefe de CXFEL Labs, William Graves, el director de CXFEL Labs, Robert Kaindl y el ingeniero jefe de CXFEL, Mark Holl.

Como estudiante universitario, Sam Teitelbaum tenía una visión muy estrecha de la física. Profesor asistente Sam Teitelbaum Descargar imagen completa

"Ahora me doy cuenta de que la física es una herramienta que puedes llevar contigo a cualquier parte, una mentalidad que puedes utilizar para abordar muchos problemas diferentes", afirma.

Teitelbaum aporta este enfoque a su trabajo en la construcción de equipos compactos de rayos X en el Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona. Teitelbaum, profesor asistente en el Departamento de Física y miembro clave del Centro de Biodiseño para el Descubrimiento Estructural Aplicado, está ayudando a guiar el diseño del láser compacto de electrones libres de rayos X, o CXFEL.

En esta sesión de preguntas y respuestas, Teitelbaum relata sus influencias y pasiones, su viaje a ASU y cómo algunas de sus grandes preguntas sobre física como estudiante universitario están cerrando el círculo con CXFEL.

Pregunta: ¿Cuál es su función en CXFEL Labs?

Respuesta: Formalmente, soy responsable del diseño de las aplicaciones de materiales cuánticos en la propuesta CXFEL. También soy responsable de un subconjunto de los sistemas láser CXFEL, concretamente de la geometría de adelantamiento.

Informalmente, estoy disponible como un experimentador al que le gusta solucionar problemas. Eso significa que, en el día a día, normalmente estoy en los laboratorios CXFEL ayudando a los estudiantes a trabajar en los láseres o construyendo los instrumentos, y simplemente estoy presente para ayudar. Hay una atracción gravitacional por estar en los laboratorios. Hay muchísimos instrumentos y, a diferencia de un gran laboratorio nacional, puedes trabajar con todos ellos y enseñar a los estudiantes cómo usarlos. Es un lugar realmente divertido para estar.

P: ¿Qué experiencia aportas al equipo?

A: Mi investigación utiliza elementos como láseres de electrones libres, láseres de mesa y sincrotrones para comprender cómo se transforman los materiales. Tomemos como ejemplo el agua: el hielo se derrite cuando se calienta. Pero la temperatura es simplemente un movimiento aleatorio de los átomos, energía depositada en un material en forma de ruido. Y se necesita tiempo para que ese ruido se acumule. Usando nuestros instrumentos, podríamos aprender mucho sobre las propiedades de la materia observándola en las escalas de tiempo muy rápidas en las que operan sus moléculas individuales. Potencialmente, podríamos hacer que los materiales pasen por transformaciones llamadas transiciones de fase que son tan rápidas que ni siquiera se puede decir que existe una temperatura, porque no hubo suficiente tiempo para que se acumulara ese ruido. ¿Podemos crear nuevas fases de la materia aprovechando la idea de que los materiales no necesitan temperatura?

Entonces, lo que aporto a CXFEL es mi experiencia como experimentalista para guiar nuestro diseño de la fuente de luz de rayos X compacta y adaptar los experimentos que he realizado con láseres de mesa y sincrotrones a nuestro trabajo aquí.

P: ¿Cómo lo preparó su carrera académica para su trabajo en CXFEL Labs?

A: Hice mi doctorado en el MIT, donde trabajé en la configuración de pulsos láser para básicamente llegar al lugar correcto en el momento adecuado para estudiar mejor los materiales. Normalmente, cuando hacemos estos experimentos, queremos que el material vuelva a ser como estaba antes de que lo golpeara el pulso láser, porque queremos repetir el experimento millones de veces. Si no vuelve a su estado anterior, es necesario encontrar una manera de obtener toda la información necesaria de un pulso láser.

Resulta que el mismo tipo de técnicas que estaba usando para obtener toda la información sobre materiales en un pulso láser también son las que estamos usando para construir el ondulador láser en CXFEL. Hacer pulsos de láser para hacer gimnasia es un concepto extraordinariamente útil, que nos permite hacer desde manipular materiales hasta extraer información útil de ellos.

P: ¿Cuál ha sido un desafío en el proyecto CXFEL y cómo lo están superando usted y el equipo?

A: CXFEL es una herramienta que combina dos conceptos de una forma novedosa: dispersión Compton inversa e intercambio de emitancia. El intercambio de emitancia nos permite moldear con precisión un grupo de electrones de manera que emita sus rayos X todos a la vez. La dispersión Compton inversa utiliza un láser de alta potencia para generar rayos X a partir de nuestro haz de electrones.

La parte del intercambio de emitancia impone requisitos bastante estrictos al haz de electrones. Para que todo funcione requiere que el láser haga cosas nuevas y únicas, lo que significa desafíos de diseño apasionantes que unen a todo nuestro equipo. Ésta es un área donde el enfoque de ASU ha sido realmente clave. CXFEL tiene un equipo más pequeño que otros XFEL. Para que funcione requiere una colaboración muy estrecha entre los científicos del láser, los físicos del acelerador, los ingenieros e incluso los usuarios para aprovechar al máximo nuestra fuente. Tenemos muchos avances en paralelo, lo cual es un desafío, pero también una oportunidad para que encontremos formas innovadoras de abordar los problemas.

P: ¿Por qué ASU es el lugar adecuado para construir estos instrumentos?

A: Cuando tienes un proyecto como este que abarca diferentes disciplinas y departamentos, existe un gran potencial de fricción. Pero todos trabajamos muy bien juntos. En ASU, los profesores parecen entender que nuestro trabajo consiste en elevar la calidad de la institución en su conjunto y no necesariamente en el prestigio de sus programas de investigación individuales. Existe un entendimiento de que debemos asegurarnos de que ASU esté haciendo algo interesante y desafiante, para que podamos continuar atrayendo gente excelente y hacer cosas más interesantes y desafiantes.

P: ¿Cuál fue el momento en el que descubriste tu pasión por la ciencia?

A: Cuando comencé mis estudios universitarios en la Universidad de Maryland, tenía un profesor de electricidad y magnetismo llamado Victor Yakovenko. Era un físico teórico de la materia condensada. El primer día, llegó a clase con un pequeño cuenco de nitrógeno líquido, un superconductor de alta temperatura llamado óxido de itrio, bario y cobre y un imán. Puso el superconductor en nitrógeno líquido, lo que lo lleva por debajo de su temperatura crítica. Luego colocó el imán sobre el superconductor, donde levitó. Y lo que dijo fue: "Nadie sabe por qué este material puede hacer esto a esta temperatura".

No sabía que la física tenía problemas como ese. Me encantó la idea de que hubiera estas pequeñas piedras por todos lados y, en su mayor parte, no teníamos idea de cómo funcionaban. Estaba enganchado a eso.

Ahora, algunos de los experimentos clave que tenemos en mente para las aplicaciones de materiales cuánticos de CXFEL son investigar ese mismo material: el óxido de itrio, bario y cobre.

P: ¿Cuáles fueron otros momentos cruciales en tu carrera que te llevaron a donde estás hoy?

A: Me interesé mucho en los láseres cuando era estudiante, pero nunca tuve la oportunidad de hacer tanta investigación universitaria sobre materiales. Luego, en la escuela de posgrado, pude aplicar esa pasión por los materiales complejos que comencé en la clase del profesor Yakovenko. Luego mi trabajo postdoctoral surgió básicamente porque tenía preguntas sobre problemas en los que estaba trabajando. Sentí que los láseres ópticos no podían ver los aspectos de los materiales que realmente quería ver. Después de saber lo que la gente hacía con los XFEL, realmente quería poder responder esas preguntas y ver aquellas cosas para las que realmente se necesitan rayos X. La mayor parte del movimiento de los cristales no es fácilmente accesible con láseres ópticos. Para que un láser óptico observe la vibración del cristal, sólo puede ver cosas en las que cada célula del cristal esté haciendo lo mismo al mismo tiempo. Lo cual, si piensas en todos los diferentes arreglos de vibraciones que pueden ocurrir, es una fracción muy, muy, muy pequeña de ellas.

P: Describiste la física como una “herramienta que puedes llevar contigo a cualquier parte”. ¿Aplica esa mentalidad a sus intereses o pasatiempos personales? ¿Esos intereses complementan tu trabajo?

A: Terminas viendo física dondequiera que vayas. Me encanta andar en bicicleta, y una de las cosas divertidas del ciclismo es que es muy fácil hacer todas las reparaciones de tu bicicleta. Una bicicleta es una máquina donde puedes ver fácilmente todas las partes móviles y cómo funcionan juntas. Pero también me gusta mucho el ciclismo porque puedo desconectar mi cerebro y no pensar en física por un tiempo. Creo que todos necesitamos un poco de tiempo fuera del trabajo. La cocina es algo que me encanta y tiene una larga intersección con la química, que es lo que estudié cuando era estudiante. Puede utilizar la química para informar su cocina y comprender por qué ciertas recetas funcionan y otras no.

Por otro lado, mi experiencia en artes visuales y teatro ha ayudado mucho a mi trabajo como científico. Ambos fueron de gran ayuda para perfeccionar mis habilidades de comunicación y enseñarme a divertirme presentando mi trabajo. Si no puedes explicar lo que estás haciendo como científico de una manera clara y atractiva, no podrás colaborar con nadie, no podrás capacitar a nadie y eso hará que obtener subvenciones y premios es mucho más difícil.

P: ¿Qué es lo que más te motiva y entusiasma de tu trabajo?

A: Trabajando con estudiantes. Una de las cosas buenas de ser miembro de la facultad es que constantemente recuerdas cómo fue aprender estas cosas la primera vez, y creo que eso realmente me impide volverme cínico acerca de mi trabajo.

P: ¿Qué posible aplicación o aspecto del CXFEL le resulta más interesante?

A: Entonces, ¿óxido de itrio, bario y cobre, el superconductor de alta temperatura que mencioné antes? La mayor parte de la “acción” que genera la superconductividad que nos interesa se produce en los átomos de cobre y oxígeno del cristal. CXFEL podrá ver los electrones barajando esos enlaces químicos, entre los átomos de oxígeno y cobre, en tiempo real. Podremos ver qué sucede cuando se aplica un campo láser potente a un superconductor de alta temperatura.

Se predice que hay nuevos estados de la materia en estos materiales que sólo existen cuando los campos láser están encendidos, y sólo podemos verlos con una máquina como CXFEL. Creo que potencialmente podría abrir un área completamente nueva porque veremos cosas nuevas, y ver cosas nuevas cambia la forma en que pensamos sobre el mundo.

P: ¿Quién ha tenido el mayor impacto/influencia en usted como persona?

A: Mis padres. Mi papá era bioquímico en la EPA y ahora es asistente médico, y mi mamá es doctora en salud ocupacional. Mis padres realmente me inculcaron el amor por el mundo natural, la curiosidad y me dieron libertad para explorar. Me gustaría agradecerles por permitirme limpiar mis Legos a mi propio ritmo y aceptar que tenía un plan para ese montón de Legos. Probablemente esto les suene tremendamente familiar a mis colegas hoy en día. “No, no, no lo limpies. ¡Tengo un plan para esa configuración!

El Biodesign Institute y sus CXFEL Labs cuentan con el apoyo parcial del Fondo de Iniciativa de Investigación y Tecnología de Arizona. La inversión de TRIF ha permitido la capacitación práctica de decenas de miles de estudiantes en las universidades de Arizona, miles de descubrimientos científicos y tecnologías patentadas, y cientos de nuevas empresas. Con el apoyo público a través de la aprobación de los votantes, TRIF es un recurso esencial para hacer crecer la economía de Arizona y brindar oportunidades para que los residentes de Arizona trabajen, aprendan y prosperen.

Subdirector de estrategia de contenidos, Knowledge Enterprise

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