Vista de rayos X de una nitidez única

Las estructuras de los microchips son cada vez más pequeñas; los discos duros escriben enciclopedias enteras en discos magnéticos del tamaño de una uña. Muchas tecnologías están superando actualmente los límites de la física clásica. Pero en el nanomundo se aplican otras leyes: las de la física cuántica. Y todavía hay muchas preguntas sin respuesta: ¿Cómo viaja realmente el calor a través de un material semiconductor a nanoescala? ¿Qué ocurre exactamente cuando los bits individuales se magnetizan en un disco duro de ordenador, y a qué velocidad podemos escribir? Todavía no hay respuestas a estas y otras muchas preguntas, sobre todo porque las técnicas experimentales actuales no pueden examinar los materiales con la suficiente profundidad y precisión y porque algunos procesos se producen con demasiada rapidez para los métodos experimentales convencionales. Pero si queremos avanzar en la miniaturización técnica, tenemos que entender estos fenómenos a nivel atómico.

La mezcla de métodos marca la diferencia

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

En esencia, se trata de un método denominado espectroscopia de rejilla transitoria. La espectroscopia es un conjunto de métodos de probada eficacia utilizados por los físicos para obtener información sobre un material, como los elementos y compuestos químicos que lo componen, sus propiedades magnéticas y cómo se mueven los átomos en su interior. En la variante particular denominada espectroscopia de rejilla transitoria, se bombardea la muestra con dos haces láser que crean un patrón de interferencia. Un tercer rayo láser se difracta en este patrón, creando un cuarto rayo que contiene la información sobre las propiedades de la muestra.

Mirando bajo la superficie

El término láser se utiliza siempre para describir la luz en el rango visible o infrarrojo del espectro de longitudes de onda. Por lo tanto, los láseres sólo pueden observar el interior de una muestra con una resolución limitada a cientos de nanómetros. Para ir más allá, se necesitan rayos X. Los investigadores del PSI han conseguido por primera vez 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, lo que corresponde a una longitud de onda de 0,17 nanómetros, es decir, aproximadamente el diámetro de los átomos de tamaño medio. La ventaja: Por primera vez es posible observar el interior de los materiales con una resolución que llega hasta los átomos individuales, así como con tiempos de exposición ultracortos, de fracciones de femtosegundos (una millonésima de milmillonésima de segundo), lo que permite incluso grabar vídeos de los procesos atómicos. Además, el método es selectivo en cuanto a elementos, lo que significa que se pueden medir selectivamente elementos químicos específicos en una mezcla de sustancias. El método complementa técnicas bien establecidas, como la dispersión inelástica de neutrones y de rayos X, añadiendo una mejor resolución en términos de tiempo y energía.

En la práctica, el montaje experimental es el siguiente: SwissFEL envía un haz de 0,2 milímetros de diámetro, compuesto por pulsos ultracortos de rayos X, 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 los rayos X de alta energía. Fue fabricado especialmente para este experimento por Christian David, del Laboratorio de Micro y Nanotecnología del PSI. La distancia entre los dientes del peine es de dos micrómetros, pero puede bajar hasta los nanómetros si es necesario. Rompen el haz de rayos X en finos haces parciales que se solapan detrás de la rejilla, creando así el patrón de difracción de la rejilla transitoria. Detrás de la rejilla se observan imágenes uno a uno de la rejilla, que se repiten a intervalos regulares, los llamados planos de Talbot. Si se coloca una muestra en uno de estos planos, algunos átomos de su interior se excitan, como si estuvieran sentados en el lugar de la rejilla. Sólo los átomos que "ven" los rayos X en esta modulación periódica se excitan, mientras que los vecinos que no experimentan la irradiación permanecen en el estado básico. Este es el principal atractivo del método, ya que permite a los investigadores excitar selectivamente dominios característicos de interés.

Cámara con flash

Sin embargo, la excitación de los átomos por sí sola no proporciona ninguna información. Para ello, es necesario un tipo de cámara con flash que exponga brevemente la muestra. En la espectroscopia de rejilla transitoria, esto se hace mediante un láser que apunta a la muestra en un ángulo y dispara imágenes con un retraso de tiempo mínimo al haz de rayos X del SwissFEL. La información sale de la parte posterior de la muestra y llega a un detector que registra la imagen. Los primeros experimentos han demostrado una ventaja del método: No produce ninguna señal de fondo no deseada. "Si los átomos están excitados, se ve una señal; si no lo están, no se ve nada", explica Svetina. Esto es muy valioso cuando se miden muestras que sólo emiten señales débiles y que no se pueden ver con otras técnicas en las que un fondo oscurece la señal".

El hecho de que Cristian Svetina y su equipo hayan conseguido hacer lo que otros investigadores no han hecho se debe a la creatividad y la paciencia de los protagonistas. "Procedimos paso a paso y no quisimos probarlo todo a la vez", dice el físico. Hace cinco años, los investigadores comenzaron a experimentar en el FEL de FERMI con luz óptica y lo ampliaron a la luz ultravioleta extrema antes de pasar a los rayos X en el 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. Consiguieron quemar el patrón de la red de un plano de Talbot en la lámina. Svetina: "Entonces lo supimos: si podemos incluso imprimir estructuras, podemos excitar átomos con menor intensidad". Con esto, el camino estaba despejado para el ahora exitoso experimento. Utilizando una muestra de germanato de bismuto, los investigadores pudieron demostrar que el método cumplía todas sus esperanzas en cuanto a 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 definitivo. Hasta ahora, sólo el haz que excita la muestra es un haz de rayos X. El flash de la cámara sigue procediendo de un láser, por lo que es luz visible. La cúspide se alcanzaría si también fuera un haz de rayos X. Svetina: "Queremos dar este último paso en el transcurso del año". Y cuentan con apoyo adicional: El LCLS de SLAC y el Instituto PULSE, ambos en Stanford (California), el centro SPring-8 de RIKEN (Japón) y el FLASH de DESY (Alemania) se han unido al equipo de colaboración.