Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han logrado por primera vez observar el interior de materiales utilizando el método de espectroscopia de rejilla transitoria con rayos X ultrarrápidos en SwissFEL. El experimento de PSI es un hito en la observación de procesos en el mundo de los átomos. Los investigadores publican hoy los resultados de su investigación en la revista Fotónica de la naturaleza .

Las estructuras de los microchips son cada vez más pequeñas; Los discos duros escriben enciclopedias enteras en discos magnéticos del tamaño de una uña. Actualmente, muchas tecnologías están rompiendo los límites de la física clásica. Pero en el nanomundo, se aplican otras leyes, las de la física cuántica. Y todavía quedan muchas preguntas sin respuesta:¿cómo viaja realmente el calor a través de un material semiconductor a nanoescala? ¿Qué sucede exactamente cuando se magnetizan bits individuales en el disco duro de una computadora? y que tan rápido podemos escribir? Todavía no hay respuestas a estas y muchas más preguntas, principalmente porque las técnicas experimentales actuales no pueden analizar los materiales con suficiente profundidad y precisión y porque algunos procesos tienen lugar demasiado rápido para los métodos experimentales convencionales. Pero si queremos seguir adelante con la miniaturización técnica, Necesitamos entender tales fenómenos a nivel atómico.

La combinación de métodos marca la diferencia

Ahora se está dando un nuevo impulso al asunto gracias a un nuevo método ideado por el investigador de la ISP Cristian Svetina, junto con Jeremy Rouxel y Majed Chergui en EPFL en Lausana, Keith Nelson en el MIT de EE. UU., Claudio Masciovecchio en Fermi FEL en Italia, y otros socios internacionales. "El método no es nuevo, aunque, y se ha utilizado durante décadas en el régimen óptico con resultados excepcionales, "dice Svetina, quien actualmente está instalando la nueva estación experimental Furka en la línea de luz SwissFEL Athos en PSI. Que es especial, él dice, es la combinación y extensión de métodos conocidos de la física láser no lineal, pero utilizando luz de rayos X del nuevo láser de rayos X de electrones libres SwissFEL. Esta combinación es nueva y sorprendente. Varios grupos de todo el mundo han realizado varios intentos en el pasado, pero sin éxito. Incluso se ha cuestionado si tales experimentos novedosos podrían llevarse a cabo con éxito con las altas energías de los rayos X. El equipo de PSI ha demostrado:Sí, se puede hacer.

En su centro, este es un método llamado espectroscopia de rejilla transitoria. La espectroscopia es un conjunto probado de métodos utilizados por los físicos para obtener información sobre un material, como los elementos químicos y los compuestos que lo componen, sus propiedades magnéticas, y cómo se mueven los átomos en su interior. En la variante particular llamada espectroscopia de rejilla transitoria, la muestra se bombardea con dos rayos láser que crean un patrón de interferencia. Un tercer rayo láser se difracta en este patrón, creando una cuarta viga que contiene la información sobre las propiedades de la muestra.

Mirando debajo de la superficie

El término láser siempre se usa para describir la luz en el rango visible o infrarrojo del espectro de longitud de onda. Por lo tanto, los láseres pueden mirar dentro de una muestra solo con una resolución limitada a cientos de nanómetros. Para ir más allá de esto Se necesitan radiografías. Los investigadores de PSI ahora han logrado por primera vez hacer que la espectroscopia de rejilla transitoria sea accesible para un láser de rayos X, utilizando rayos X muy duros con una energía de 7,1 kiloelectronvoltios, que corresponde a una longitud de onda de 0,17 nanómetros, o aproximadamente del diámetro de átomos de tamaño mediano. La ventaja:por primera vez, es posible mirar dentro de los materiales con una resolución de átomos individuales, así como con tiempos de exposición ultracortos de fracciones de femtosegundos (una millonésima de mil millonésima de segundo), que incluso permite grabar videos de procesos atómicos. Además, el método es selectivo de elementos, lo que significa que uno puede medir selectivamente elementos químicos específicos en una mezcla de sustancias. El método complementa técnicas bien establecidas, como la dispersión inelástica de neutrones y rayos X, agregando una mejor resolución en términos de tiempo y energía.

En la práctica, la configuración experimental se ve así:SwissFEL envía un haz con un diámetro de 0,2 milímetros, que consta de pulsos de rayos X ultracortos, sobre una rejilla de fase de transmisión hecha de diamante, que parece un peine fino bajo el microscopio. El diamante se utiliza porque no se destruye ni siquiera con rayos X de alta energía. Fue hecho especialmente para este experimento por Christian David del Laboratorio de Micro y Nanotecnología en PSI. El espacio entre los dientes del peine es de dos micrómetros, pero esto puede reducirse a nanómetros si es necesario. Rompen el haz de rayos X en finos haces parciales que se superponen detrás de la rejilla, creando así el patrón de difracción de rejilla transitoria. Detrás de la rejilla se pueden observar imágenes uno a uno de la rejilla, repetidos a intervalos regulares, los llamados aviones Talbot. Si coloca una muestra en uno de estos planos, algunos átomos dentro de él se excitan, como si estuviera sentado en la ubicación de la rejilla. Solo los átomos que "ven" los rayos X en esta modulación periódica están excitados, mientras que los vecinos que no experimentan la irradiación permanecen en el estado fundamental. Este es el principal atractivo del método, ya que permite a los investigadores excitar selectivamente dominios de interés característicos.

Cámara con flash

Excitación de los átomos solo, sin embargo, no proporciona ninguna información. Para esto, Se necesita una especie de cámara con flash para exponer brevemente la muestra. En espectroscopía de rejilla transitoria, esto se hace mediante un láser que apunta a la muestra en un ángulo y toma imágenes con un retardo de tiempo mínimo al haz de rayos X de SwissFEL. La información sale por la parte posterior de la muestra y llega a un detector que registra la imagen. Los experimentos iniciales han demostrado una ventaja del método:no produce ninguna señal de fondo no deseada. "Si los átomos están excitados, ves una señal; si no están emocionados, no ves nada, ", Explica Svetina. Esto es extremadamente valioso cuando se miden muestras que emiten solo señales débiles y que no se pueden ver con otras técnicas donde un fondo oscurece la señal.

El hecho de que Cristian Svetina y su equipo hayan logrado hacer lo que otros investigadores no han hecho se debe a la creatividad y paciencia de los protagonistas. "Procedimos paso a paso y no queríamos probar todo a la vez, ", dice el físico. Hace cinco años, los investigadores comenzaron a experimentar en FERMI FEL con luz óptica y la extendieron a la luz ultravioleta extrema antes de pasar a los rayos X en PSI. Aquí, en lugar de examinar muestras "reales" de inmediato, utilizaron láminas de oro para probar si la energía era suficiente para excitar los átomos. Lograron quemar el patrón de celosía de un avión Talbot en la lámina. Svetina:"Fue entonces cuando supimos:si incluso podemos imprimir estructuras, podemos excitar átomos con menor intensidad ". Con esto, el camino estaba despejado para el experimento ahora exitoso. Usando una muestra de germanato de bismuto, los investigadores pudieron demostrar que el método cumplió todas sus esperanzas en términos de resolución espacial y temporal, velocidad de medición, y selectividad de elementos.

Próximo objetivo:todo con rayos X

Sin embargo, los investigadores aún no han dado el paso final. Hasta aquí, solo el haz que excita la muestra es un haz de rayos X. El flash de la cámara aún proviene de un láser, por lo que es luz visible. El pináculo se alcanzaría si eso también fuera un haz de rayos X. Svetina:"Queremos dar este paso final en el transcurso del año". Y tienen soporte adicional:LCLS de SLAC y el Instituto PULSE, ambos en Stanford en California, el centro RIKEN SPring-8 en Japón, y FLASH de DESY en Alemania se han unido al equipo de colaboración.

Los investigadores publican hoy sus resultados en la revista Fotónica de la naturaleza .