Investigadores de ASU usan diamantes para 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 de electrones libres de rayos X compacto de ASU. Lea las otras entregas: Preguntas y respuestas con la profesora de Regentes 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 veía la física de manera muy estrecha. 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 usar para abordar muchos problemas diferentes", dice.

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

Pregunta: ¿Cuál es su rol 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, específicamente la geometría de adelantamiento.

Informalmente, estoy disponible como un experimentador al que le gusta solucionar problemas. Eso significa que en el día a día, por lo general, 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 gravitatoria por estar en los laboratorios. Hay tantos instrumentos y, a diferencia de un gran laboratorio nacional, puede trabajar con todos ellos y enseñar a los estudiantes cómo usarlos. Es un lugar muy divertido para estar.

P: ¿Qué experiencia aporta al equipo?

A: Mi investigación utiliza cosas 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 no es más que el movimiento aleatorio de los átomos, la 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 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 te preparó tu carrera académica para tu trabajo en CXFEL Labs?

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

Resulta que el mismo tipo de técnicas que estaba usando para obtener toda la información sobre los materiales en un pulso láser también son las que estamos usando para construir el ondulador láser en CXFEL. Hacer que los pulsos láser hagan gimnasia es un concepto extraordinariamente útil, que nos permite hacer de todo, 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 forma novedosa: la dispersión Compton inversa y el intercambio de emitancias. El intercambio de emitancias nos permite moldear con precisión un grupo de electrones de manera que emita todos sus rayos X 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 porción de intercambio de emitancia de eso impone requisitos bastante estrictos al haz de electrones. Hacer que todo funcione requiere que el láser haga cosas nuevas y únicas, lo que significa emocionantes desafíos de diseño que unen a todo nuestro equipo. Esta es un área donde el enfoque de ASU realmente ha sido clave. CXFEL tiene un equipo más pequeño que otros XFEL. Hacer que funcione requiere una colaboración muy estrecha entre los científicos del láser, los físicos de aceleradores, los ingenieros e incluso los usuarios para aprovechar al máximo nuestra fuente. Tenemos muchos desarrollos que suceden 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, hay mucho potencial para la 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 seguir atrayendo a grandes personas y hacer cosas más interesantes y desafiantes.

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

A: Cuando comencé la universidad en la Universidad de Maryland, tenía un profesor de electricidad y magnetismo llamado Victor Yakovenko. Fue un físico teórico de la materia condensada. El primer día, llegó a clase con un pequeño recipiente con nitrógeno líquido, un superconductor de alta temperatura llamado óxido de itrio, bario y cobre, y un imán. Puso el superconductor en el nitrógeno líquido, 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 tuviera problemas así. Me encantó la idea de que había estas pequeñas rocas por todo el lugar 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 su carrera que lo llevaron a donde está hoy?

A: Me interesé mucho en los láseres como estudiante universitario, 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 comenzó en la clase del profesor Yakovenko. Entonces mi trabajo de posdoctorado surgió básicamente porque tenía dudas sobre los problemas en los que estaba trabajando. Sentí que los láseres ópticos no podían ver las cosas sobre los materiales que realmente quería ver. Después de enterarme de lo que la gente estaba haciendo con los XFEL, realmente quería poder responder esas preguntas y ver esas cosas para las que realmente se necesitan rayos X. La mayoría del movimiento del cristal no es fácilmente accesible con láseres ópticos. Para que un láser óptico observe la vibración del cristal, solo puede ver cosas donde cada celda del cristal está haciendo lo mismo al mismo tiempo. Lo cual, si piensas en todos los diferentes arreglos de vibraciones que pueden ocurrir, esa es una fracción muy, muy, muy pequeña de ellos.

P: Usted describió la física como una "herramienta que puede llevar consigo a cualquier lugar". ¿Aplicas esa mentalidad a tus intereses o pasatiempos personales? ¿Esos intereses complementan su trabajo?

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

Por otro lado, mi formación en artes visuales y teatro me ha ayudado mucho en mi trabajo como científica. Ambos fueron realmente útiles para perfeccionar mis habilidades de comunicación y enseñarme a divertirme presentando mi trabajo. Si no puede explicar lo que está haciendo como científico de una manera clara y atractiva, no podrá colaborar con nadie, no podrá capacitar a nadie y hará obtener subvenciones y premios mucho más difícil.

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

A: Trabajando con estudiantes. Una de las cosas buenas de ser miembro de la facultad es que constantemente te recuerdan cómo fue aprender estas cosas la primera vez, y creo que eso realmente evita que me vuelva cínico sobre mi trabajo.

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

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

Se predice que hay nuevos estados de la materia en estos materiales que solo existen cuando los campos láser están encendidos, y solo 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 ti 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 dejarme limpiar mis Legos a mi propio ritmo y aceptar que tenía un plan para esa pila de Legos. Eso probablemente suene terriblemente familiar para mis colegas hoy en día. "No, no, no lo limpies. ¡Tengo un plan para eso!"

El Instituto de Biodiseño y sus laboratorios CXFEL cuentan con el apoyo parcial del Fondo de Iniciativa de Investigación y Tecnología de Arizona. La inversión de TRIF ha permitido la capacitación práctica para decenas de miles de estudiantes en las universidades de Arizona, miles de descubrimientos científicos y tecnologías patentadas, y cientos de nuevas empresas emergentes. 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 contenido, Knowledge Enterprise

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