Puede que no sea prudente juzgar un libro por su portada, pero se puede saber mucho sobre un material a partir de los electrones más externos de sus átomos.

"Estos electrones más externos, conocidos como electrones de valencia, son los jugadores más importantes en la formación de enlaces químicos y en realidad definen casi todas las propiedades de un sólido:eléctrico, térmico, conductivo, "dijo Shambhu Ghimire, un científico asociado del personal del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía.

Ahora Ghimire y dos colegas del Instituto PULSE de Stanford han inventado una nueva forma de sondear los electrones de valencia de los átomos en las profundidades de un sólido cristalino.

En un informe de hoy en Física de la naturaleza , describen el uso de luz láser para excitar algunos de los electrones de valencia, guíelos dentro del cristal y reboten en otros átomos. Esto produce ráfagas de luz de alta energía que son invisibles a nuestros ojos, pero llevan pistas sobre la estructura y función atómicas del material.

"Esto cambiará el mundo de las imágenes del interior de sólidos cristalinos, "Ghimire dijo, "tanto como la microscopía de túnel de barrido, o STM, cambió la imagen a escala atómica de las superficies ".

Una nueva forma de ver los átomos en los sólidos

Inventado a principios de la década de 1980, STM fue un método revolucionario que permitió a los científicos hacer las primeras imágenes de átomos individuales y sus enlaces. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1986.

Pero STM detecta electrones de valencia solo de las dos o tres capas superiores de átomos de un material. Un flujo de esos electrones en la punta del instrumento crea una corriente que le permite medir la distancia entre la punta y la superficie. rastreando las protuberancias donde los átomos emergen y los valles entre ellos. Esto crea una imagen de los átomos y proporciona información sobre los enlaces que los mantienen unidos.

Ahora, la nueva técnica dará a los científicos el mismo nivel de acceso a los electrones de valencia en el interior del sólido.

Los experimentos realizado en un laboratorio de láser SLAC por el investigador postdoctoral de PULSE Yong Sing You, cristales involucrados de óxido de magnesio o magnesia, un mineral común utilizado para hacer cemento, preservar los libros de la biblioteca y limpiar el suelo contaminado, entre muchas otras cosas.

Estos cristales también tienen la capacidad de cambiar la luz láser entrante a longitudes de onda mucho más cortas y energías más altas, al igual que presionar la cuerda de una guitarra produce una nota más alta, a través de un proceso llamado generación de armónicos altos. o HHG.

Dirigir electrones para generar luz

En este caso, los científicos ajustaron cuidadosamente el rayo láser infrarrojo entrante para que excitara los electrones de valencia en los átomos de oxígeno del cristal. Esos electrones oscilaron como cuerdas de guitarra vibrantes, y generó luz de longitudes de onda mucho más cortas, en el rango ultravioleta extremo, a través de HHG.

Pero cuando ajustaron la polarización del rayo láser para dirigir los electrones excitados a lo largo de diferentes trayectorias dentro del cristal, descubrieron que la HHG solo tenía lugar cuando un electrón golpeaba un átomo vecino, y fue más eficiente cuando golpeó el punto muerto del átomo. Más lejos, la longitud de onda de la luz generada armónicamente que sale, que era de 13 a 21 veces más corta que la luz que entraba, reveló la densidad de los electrones de valencia del átomo vecino, el tamaño del átomo e incluso si era un átomo de oxígeno o de magnesio.

"Es difícil concentrarse en los electrones de valencia con los métodos actuales para medir la densidad de carga de los electrones, que suelen utilizar difracción de rayos X o de electrones, "dijo el coautor del estudio, David Reis, profesor asociado en SLAC y Stanford y subdirector de PULSE. "Así que demostrar que podemos hacer eso con sensibilidad a escala atómica en un experimento de láser de mesa es un hito importante".

Alan Fry, director de división de ciencia y tecnología láser en el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac de SLAC, no participó en el experimento, pero felicitó "al equipo que desarrolló esta técnica y que continúa realizando investigaciones emocionantes e interesantes con ella".

Si bien este enfoque puede limitarse a materiales que pueden generar luz a través de HHG, él dijo, "todavía puede decirle mucho sobre la estructura electrónica dentro de esos sólidos, y, en principio, podría darnos una mejor comprensión de otros materiales que no tienen la misma respuesta. Comprender sistemas simples como este sienta las bases para comprender sistemas más complejos ".