Cuando el cobre se vuelve transparente
El XFEL europeo crea materia exótica
Los experimentos del XFEL europeo generan estados de la materia próximos a los que se dan en el interior de los planetas o en la cápsula implosiva de un reactor de fusión inercial. Al mismo tiempo, abren una vía para medir fenómenos ultracortos.
Explorar las condiciones extremas que se alcanzan en el interior de los planetas, incluida la Tierra, o durante una reacción de fusión, es un gran reto. Enfocando el potentísimo láser de rayos X del XFEL europeo sobre una lámina de cobre, los investigadores han creado e investigado un estado de la materia muy alejado del equilibrio, acuñado materia densa caliente (WDM), que se asemeja a esos entornos exóticos. Sus descubrimientos suponen un avance notable en la comprensión y caracterización de este elusivo estado de la materia, crucial para avanzar en la fusión por confinamiento inercial, un proceso prometedor para obtener energía limpia y abundante.
El calor puede cambiar drásticamente el estado de la materia: según la temperatura, las sustancias son sólidas, líquidas o gaseosas. En un determinado intervalo de temperaturas, la materia también adopta un estado conocido como materia densa cálida (WDM): es demasiado caliente para ser descrita por la física de la materia condensada, pero al mismo tiempo demasiado densa para la física de los plasmas débilmente acoplados. La frontera entre la materia densa cálida y otros estados de la materia no está definida con precisión. A menudo se especifica un rango de temperatura de 5.000 Kelvin a 100.000 Kelvin a presiones de varios cientos de miles de bar, donde un bar corresponde a la presión atmosférica en la superficie de la Tierra. El WDM no es estable en nuestro entorno cotidiano y es muy difícil de producir o incluso de examinar en el laboratorio. Normalmente, los científicos comprimen las muestras en celdas de yunque de diamante para alcanzar altas presiones, o utilizan potentes láseres ópticos para convertir los sólidos en WDM durante una ínfima fracción de segundo.
Ahora, los intensos pulsos de rayos X del XFEL europeo han demostrado ser una herramienta muy útil para generar y analizar materia densa caliente. Los investigadores utilizaron cobre como material de muestra. "La alta intensidad de los pulsos puede excitar los electrones de la lámina de cobre hasta tal punto que ésta cambia al estado de materia densa caliente", explica Laurent Mercadier, científico del instrumento SCS que dirigió el experimento: "Esto puede apreciarse en un cambio en su transmisión de la luz".
Un metal irradiado por un pulso intenso de rayos X puede volverse transparente si los electrones del metal absorben la energía de los rayos X tan rápidamente que no quedan electrones que excitar. La cola restante del pulso puede entonces penetrar en el material sin obstáculos. Esto se conoce como absorción saturable (SA). Por el contrario, un metal puede volverse cada vez más opaco si el frente del pulso crea estados excitados que tienen un coeficiente de absorción mayor que el metal frío. La cola del pulso se absorbe entonces con mayor intensidad, un efecto conocido como absorción saturable inversa (RSA). Ambos procesos se utilizan habitualmente en óptica, por ejemplo para generar una longitud de pulso específica con láseres.
Los investigadores del XFEL europeo han irradiado pulsos de rayos X de 15 femtosegundos de duración en una película de cobre de 100 nanómetros de espesor. A continuación analizaron la señal transmitida con un espectrómetro. "El espectro depende en gran medida de la intensidad del pulso de rayos X", explica Mercadier. "A intensidades de rayos X de bajas a moderadas, el cobre se vuelve cada vez más opaco al haz de rayos X y muestra RSA. Sin embargo, a intensidades más altas, la absorción se satura y la lámina se vuelve transparente".
Estas drásticas alteraciones de la opacidad suceden tan rápido que los núcleos atómicos del metal no tienen tiempo de moverse. "Nos enfrentamos a un estado muy exótico de la materia, en el que la red está fría y algunos de los electrones ionizados están calientes y no se encuentran en equilibrio con el resto de electrones libres del metal", explica Mercadier: "Para explicarlo, hemos desarrollado una teoría que combina la física del estado sólido y la del plasma". Para los investigadores, el cambio de opacidad es una señal de que han logrado crear y caracterizar materia densa caliente en el laboratorio.
Comprender la opacidad de la materia en estas condiciones extremas es una necesidad urgente para la fusión por confinamiento inercial. En esta última, se utiliza energía intensa para comprimir y calentar un blanco combustible, creando las condiciones necesarias para la fusión. La opacidad determina cuánta energía de radiación se absorbe o se transmite a través del material, lo que es esencial para garantizar que la energía utilizada para la compresión no se escape, permitiendo reacciones de fusión eficientes.
Corto no es lo bastante corto
"En realidad, estos efectos se producen tan rápido que necesitamos pulsos de rayos X aún más cortos para resolver completamente la dinámica de los electrones", afirma Andreas Scherz, científico jefe del instrumento SCS. "Recientemente, el XFEL europeo ha demostrado la capacidad de generar pulsos de attosegundos, abriendo así una puerta a la llamada física de attosegundos". Con pulsos de rayos X de attosegundos se podría `filmar' con precisión el movimiento de los electrones durante la formación de materia densa caliente o durante reacciones químicas, y así mejorar significativamente nuestra comprensión de, por ejemplo, los procesos químicos o el funcionamiento de los catalizadores.
Los Premios Nobel de Física 2023 concedidos a la física franco-sueca Anne L'Huillier, al físico húngaro-austríaco Ferenc Krausz y al físico franco-estadounidense Pierre Agostini demuestran que se trata de un tema de investigación de gran actualidad.
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Publicación original
Laurent Mercadier, Andrei Benediktovitch, Špela Krušič, Joshua J. Kas, Justine Schlappa, Marcus Agåker, Robert Carley, Giuseppe Fazio, Natalia Gerasimova, Young Yong Kim, Loïc Le Guyader, Giuseppe Mercurio, Sergii Parchenko, John J. Rehr, Jan-Erik Rubensson, Svitozar Serkez, Michal Stransky, Martin Teichmann, Zhong Yin, Matjaž Žitnik, Andreas Scherz, Beata Ziaja, Nina Rohringer; "Transient absorption of warm dense matter created by an X-ray free-electron laser"; Nature Physics, 2024-7-29
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