Los investigadores detectan minúsculos movimientos atómicos en los cristales
Los hallazgos abren nuevas vías para estudiar los procesos ultrarrápidos en materiales
Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Dortmund, la Universidad de Paderborn y la Universidad de Nottingham ha desarrollado un nuevo método óptico para detectar movimientos atómicos ultradébiles. Su experimento, realizado en Dortmund, ha demostrado una sensibilidad sin precedentes en la detección del movimiento atómico en cristales aprovechando la interferencia de la luz. Los resultados, publicados recientemente en Nature Materials, abren nuevas vías para estudiar los procesos ultrarrápidos en los materiales.
Las mediciones ópticas precisas se basan en interferómetros, en los que el haz que sondea una distancia de interés interfiere con un haz de referencia que recorre una trayectoria fija. Esto permite evaluar la diferencia de longitud de trayectoria de los dos haces con gran precisión. Un ejemplo llamativo son los interferómetros gravitacionales, que detectan ondas gravitacionales inducidas por un suceso distante en el universo, como la colisión de agujeros negros. Para alcanzar la sensibilidad deseada, el interferómetro LIGO tiene una longitud geométrica de 4 kilómetros, que se aumenta hasta 1120 kilómetros efectivos haciendo pasar los haces por el interferómetro varias veces. Esto permite medir cambios relativos de las longitudes de los brazos del interferómetro del orden de 10-²², lo que corresponde a unos 10-¹⁸ metros. Se trata de una diferencia de longitud extremadamente pequeña, del orden de una milésima parte del radio del protón. Esto también requiere un rayo láser de 200 vatios de potencia, amplificado a 700 kilovatios en el resonador formado por el interferómetro.
El equipo internacional de investigadores de Dortmund, Paderborn y Nottingham ha logrado ahora realizar mediciones interferométricas del desplazamiento atómico de una magnitud absoluta comparable, utilizando como interferómetro la llamada superred de semiconductores, una estructura periódica de capas nanométricas de semiconductores fabricada en la Universidad de Paderborn. La diferencia decisiva es que el tamaño efectivo de un interferómetro de este tipo es sólo del orden de 1 micrómetro y, por tanto, mil millones de veces menor que el de los interferómetros gravitatorios. Además, la potencia media del láser utilizado es también mil millones de veces menor, del orden de sólo 1 microvatio.
En el experimento de validación también se utilizó la detección interferométrica para observar un suceso distante. Un pulso láser de 100 femtosegundos -es decir, 10-¹³ segundos- calentó una película metálica depositada sobre una placa cristalina, provocando un aumento de temperatura de 0,1 grados y una dilatación térmica de la película inferior a 100 attómetros, es decir, 10-¹⁶ metros. "La onda acústica generada por esta expansión térmica ultrarrápida y diminuta, que no podía detectarse con ninguna técnica experimental conocida hasta entonces, se detectó con seguridad en el lado opuesto de la placa al alcanzar la superred", afirma Marek Karzel, del grupo de trabajo del Dr. Alexey Scherbakov en el Departamento de Física, que realizó el experimento clave. Su colega, el Dr. Anton Samusev, señala la diferencia con el experimento LIGO: "A diferencia del interferómetro LIGO, el método desarrollado no detecta sucesos individuales, sino que requiere múltiples mediciones para lograr una relación señal-ruido suficiente. Sin embargo, este requisito es manejable en un laboratorio experimental donde las mediciones pueden repetirse millones de veces por segundo, a diferencia de los eventos astronómicos donde la colisión de dos agujeros negros ocurre una sola vez."
Esta investigación abre enormes posibilidades para el estudio de materiales, así como para la metrología cuántica en la que intervienen cuantos individuales de vibraciones de la red cristalina, conocidos como fonones.
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