Una técnica de superresolución de rayos X descubre estructuras atómicas
Un nuevo método permite comprender mejor las reacciones químicas y las propiedades de los materiales aplicando una técnica de espectroscopia galardonada con el Nobel
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne, cerca de Chicago (EE.UU.), junto con el Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) de Heidelberg y el Láser Europeo de Electrones Libres de Rayos X (European XFEL) de Hamburgo, desarrollaron un enfoque innovador de la espectroscopia de rayos X, logrando un detalle y una resolución sin precedentes.
La técnica, denominada dispersión Raman estocástica estimulada por rayos X (s-SXRS), utiliza pulsos intensos de rayos X para excitar electrones dentro de los átomos. Se aplicó en un experimento pionero en el XFEL europeo. Los investigadores dirigieron un haz de rayos X a través de una pequeña célula de gas a alta presión de 5 milímetros diseñada en el MPIK y llena de neón como gas objetivo. La radiación resultante se recoge y analiza en un espectrómetro de rejilla, un dispositivo que separa la luz en sus distintas longitudes de onda. A medida que los rayos X atraviesan el gas, amplifican casi mil millones de veces la radiación dispersada resonantemente, las llamadas señales Raman, un tipo de huella dactilar de rayos X que proporciona información sobre los estados electrónicos excitados de átomos y moléculas.
La señal amplificada proporciona información detallada sobre la estructura electrónica de los átomos en una escala de tiempo de femtosegundos (es decir, una millonésima de billonésima de segundo). Un método estadístico, denominado análisis de covarianza, relaciona los pulsos de rayos X entrantes con las señales Raman emitidas por los átomos. De este modo, los científicos crean un espectro energético detallado a partir de muchas instantáneas individuales, en lugar de escanear lentamente los distintos niveles de energía. Lo que antes se consideraba "ruido" se transforma así en un valioso recurso que permite extraer información detallada de datos complejos.
El gran número de fotones de cada destello de rayos X no sólo potencia la señal de medición, sino que también es la clave para obtener la máxima resolución espectral al promediar muchos impactos de fotones en el detector. Este gran número de fotones en longitudes de onda aleatorias pero totalmente correlacionadas permite localizar la posición del centro de estos picos espectrales amplios pero distintos con mucha más precisión de lo que indicaría su anchura. Este enfoque es similar a la técnica de microscopía de superresolución que obtuvo el Premio Nobel de Química en 2014.
Un apoyo esencial para la interpretación de los resultados experimentales fueron las simulaciones a gran escala de las complejas interacciones de los pulsos de rayos X mientras se propagan a través del gas. Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), proporcionó la potencia computacional necesaria para estos cálculos, que coinciden estrechamente con los datos medidos, confirmando así la comprensión de estos procesos por parte de los investigadores y allanando el camino para futuras investigaciones. Con los continuos avances, s-SXRS podría convertirse en una herramienta estándar en los laboratorios de todo el mundo, impulsando la innovación en muchos campos y sentando las bases para avances en el análisis químico y la ciencia de los materiales que afectan a industrias como la electrónica y la nanotecnología.
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Publicación original
Kai Li, Christian Ott, Marcus Agåker, Phay J. Ho, Gilles Doumy, Alexander Magunia, Marc Rebholz, Marc Simon, Tommaso Mazza, Alberto De Fanis, Thomas M. Baumann, Jacobo Montano, Nils Rennhack, Sergey Usenko, Yevheniy Ovcharenko, Kalyani Chordiya, Lan Cheng, Jan-Erik Rubensson, Michael Meyer, Thomas Pfeifer, Mette B. Gaarde, Linda Young; "Super-resolution stimulated X-ray Raman spectroscopy"; Nature, Volume 643, 2025-7-16
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