21.05.2021 - Friedrich-Schiller-Universität Jena

Hacer visible lo invisible

Nuevo método para estudiar las estructuras atómicas en las superficies de los materiales

Investigadores de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, la Universidad de California en Berkeley y el Instituto Politécnico de París utilizan luz láser intensa en el espectro ultravioleta extremo para generar un proceso óptico no lineal a escala de laboratorio, un proceso que hasta ahora sólo era posible en una instalación de investigación a gran escala. Como escribe el equipo en el número actual de la revista "Science Advances", han podido conseguir este efecto por primera vez con una fuente láser a escala de laboratorio y así investigar la superficie de una muestra de titanio hasta el nivel atómico.

Las reacciones químicas, como las que se producen al cargar y descargar una batería, tienen lugar principalmente en las superficies y en las interfaces. Aunque 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. Para ello se necesitan métodos de medición que permitan realizar observaciones en las escalas de tiempo extremadamente cortas en las que se producen las reacciones químicas.

En principio, los métodos espectroscópicos con pulsos láser muy cortos para la resolución temporal son adecuados para ello. 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 mediante la resonancia de electrones del núcleo, se requiere una luz láser con una longitud de onda de unos pocos nanómetros, es decir, una radiación en el rango ultravioleta extremo (XUV) o de rayos X del espectro".

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

Hasta ahora, sin embargo, hay muy pocos métodos para generar una radiación láser tan intensa en el rango de los rayos XUV y X. "Hasta ahora, esto sólo era posible en instalaciones de investigación a gran escala, como el láser de electrones libres FLASH del DESY", afirma 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, han encontrado ahora la forma de hacer posible estas investigaciones en un laboratorio láser estándar.

Duplicación de frecuencia no lineal en una superficie de titanio

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

"Como ya se sabe por los estudios realizados con la radiación en el rango visible e infrarrojo, se puede generar luz con nuevas propiedades mediante 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. Al comparar las simulaciones con los resultados de las mediciones, también pudieron demostrar que la radiación resultante se origina en la superficie de la lámina de titanio y no en el interior 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 pueden estudiarse ahora desde la perspectiva de un solo átomo en entornos químicos que, de otro modo, serían complejos", afirma el profesor Michael Zürch, de la Universidad de California, al describir la importancia del resultado. Además, la corta duración de los pulsos utilizados permite investigar procesos dinámicos en las interfaces, como los que se producen durante la carga y descarga de las baterías.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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