Reacciones químicas, como las que se producen al cargar y descargar una batería, tienen lugar principalmente en superficies e interfaces. Si bien es muy fácil estudiar los productos macroscópicos de una reacción, Hasta ahora ha sido difícil obtener una imagen más precisa del curso de las reacciones químicas a nivel atómico. Esto requiere métodos de medición que permitan realizar observaciones en escalas de tiempo extremadamente cortas en las que tienen lugar las reacciones químicas.

En principio, Los métodos espectroscópicos con pulsos láser muy cortos para resolución temporal son adecuados para esto. Al mismo tiempo, la luz láser debe tener una longitud de onda muy corta, como explica el físico Tobias Helk de la Universidad Friedrich Schiller de Jena:"Para poder investigar específicamente elementos individuales utilizando la resonancia electrónica del núcleo, Se requiere luz láser con una longitud de onda de unos pocos nanómetros, es decir, radiación en el ultravioleta extremo (XUV) o en el rango de rayos X del espectro ".

Para observar procesos químicos, También es importante poder estudiar las interfaces entre los medios y las superficies del material donde tienen lugar las reacciones químicas. añade Helk. Además de las longitudes de onda cortas y las duraciones cortas, los pulsos láser también deben tener una intensidad extremadamente alta para poder causar efectos no lineales, como se les llama, que permiten rastrear la señal de medición hasta la interfaz.

Hasta aquí, sin embargo, Existen muy pocos métodos para generar una radiación láser tan intensa en el rango de rayos X y XUV. "Hasta ahora, esto solo ha sido posible en instalaciones de investigación a gran escala como el láser de electrones libres FLASH en DESY, "dice el profesor Christian Spielmann del Instituto de Óptica y Electrónica Cuántica de la Universidad de Jena. Sin embargo, él y su equipo, junto con investigadores de EE. UU. y Francia, ahora han encontrado una manera de hacer posibles tales investigaciones en un laboratorio láser estándar.

Duplicación de frecuencia no lineal en una superficie de titanio

Para tal fin, Se utilizó como fuente de luz un láser de rayos X suave del Laboratoire d'Optique Appliquee en Palaisseau (Francia). "En nuestro experimento, configuramos una geometría de enfoque especial, que consiste en un espejo de forma elíptica que nos permite concentrar la radiación láser en un área muy pequeña, "dice el candidato a doctorado Helk, autor principal del estudio. La radiación con una longitud de onda de 32,8 nanómetros se centró en una lámina de titanio ultrafina y se analizó su interacción no lineal con las partículas de materia.

"Como ya se sabe a partir de estudios con radiación en el rango visible e infrarrojo, la luz con nuevas propiedades se puede generar a través de la interacción de partículas de luz y partículas de materia, "explica Helk. En un proceso conocido como duplicación de frecuencia no lineal (o generación de segundo armónico), por ejemplo, dos fotones de la luz irradiada son absorbidos por el material y se emite un fotón con el doble de frecuencia (el doble de energía).

Y es precisamente este efecto el que los investigadores pudieron demostrar. Con un espectrómetro, separaron la radiación resultante de la interacción con la lámina de titanio y la registraron con una cámara. Comparando las simulaciones con los resultados de la medición, también pudieron demostrar que la radiación resultante se origina en la superficie de la hoja de titanio y no dentro del material.

"Poder realizar esta forma de espectroscopia de superficie en el rango XUV a escala de laboratorio abre perspectivas completamente nuevas. Por ejemplo, Los procesos químicos en superficies o en interfaces ocultas ahora se pueden estudiar desde la perspectiva de un solo átomo en entornos químicos que de otro modo serían complejos. "dice el profesor Michael Zürch de la Universidad de California, describiendo la importancia del resultado. Es más, la corta duración de los pulsos utilizados permite la investigación de procesos dinámicos en interfaces, como los que se producen durante la carga y descarga de baterías.