Explorando la materia con ondulaciones de rayos X ultracortas
03.07.2025
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Geometría experimental del experimento de red transitoria completamente de rayos X. Imagen: Cristian Svetina. |
- Un equipo de investigadores liderado por Cristian Svetina en IMDEA Nanociencia ha diseñado un experimento de red transitoria completamente de rayos X.
- Los científicos ahora pueden estudiar la dinámica de partículas cuánticas a escala nanométrica, con redes transitorias del orden de los nanómetros.
- La amplia colaboración entre 22 instituciones incluye mediciones en la instalación de rayos X 'SACLA FEL' (Japón.
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Madrid, 3 de julio de 2025. Para comprender cómo se desplazan el calor o la carga a través de los materiales —ya sean gases, líquidos o sólidos—, los científicos necesitan observar los cambios más pequeños en el espacio y el tiempo. Una herramienta poderosa para esto es la espectroscopía de redes transitorias, que utiliza la interferencia de dos pulsos de luz para crear una red microscópica controlable en la superficie de un material. La red excita el material con una periodicidad espacial, y un pulso de luz de prueba se utiliza para monitorear la dinámica de esa excitación. Tradicionalmente, esta técnica ha utilizado luz visible o infrarroja, lo que limita su resolución a redes de aproximadamente un micrón de separación. Sin embargo, muchos de los comportamientos más interesantes en los materiales ocurren a escalas aún más pequeñas, de apenas decenas de nanómetros, donde las partículas se comportan de forma diferente al moverse entre trayectorias aleatorias (difusivas) y rectilíneas (balísticas).
Los avances recientes han llevado la espectroscopía de redes transitorias a un nuevo terreno utilizando luz de menor longitud de onda. Los haces de luz de rayos X duros —posibles gracias a fuentes de luz de nueva generación llamadas láseres de electrones libres— pueden ahora crear redes mucho más finas, permitiendo a los científicos investigar a escala nanométrica. Sin embargo, intentos anteriores con rayos X duros se basaban en enfoques híbridos, en los que los rayos X creaban la red, pero aún se usaba luz óptica para medirla. Esta incompatibilidad dificultaba aprovechar plenamente la precisión de los rayos X.
Ahora, los investigadores han demostrado una técnica de red transitoria completamente de rayos X, utilizando pulsos de rayos X duros tanto para crear como para analizar la red. Estos pulsos duran apenas unos femtosegundos (una millonésima de una billonésima de segundo), lo que permite seguir procesos ultrarrápidos con un detalle extraordinario. Para generar redes transitorias con haces de rayos X duros, se utilizó el efecto Talbot, evitando esquemas ópticos complejos. Un solo haz interfiere consigo mismo a distancias Talbot, formando ondulaciones de interferencia conocidas como “alfombra de Talbot”. El equipo probó su método en dos materiales: una aleación amorfa de hierro-gadolinio y una capa delgada de silicio cristalino. En ambos materiales captaron la evolución de fonones ópticos coherentes, o vibraciones de la red atómica.
Este trabajo presenta varios avances clave: a) se demuestra evidencia de espectroscopía TG completamente de rayos X duros en dos tipos distintos de materiales; b) se demuestra la autointerferencia TG en el régimen de rayos X duros; c) se escanea el tiempo entre los dos pulsos de rayos X duros, revelando una dinámica fonónica interesante y prometedora; d) se observa una correlación directa entre la señal TG completamente de rayos X duros y la difracción de rayos X. Estos resultados son notables, ya que establecen un nuevo método experimental para investigar fenómenos a escala nanométrica en materiales funcionales como dispositivos térmicos miniaturizados, sensores, superconductores, interruptores magnéticos ultrarrápidos, fotocatalizadores y elementos de almacenamiento de datos ultrarrápido.
Este nuevo enfoque, publicado en Communications Physics, abre la puerta al estudio de los procesos más fundamentales en los materiales con una resolución espacial y temporal sin precedentes. Desde explorar cómo fluye el calor en un microchip hasta revelar la dinámica de transiciones de fase en materiales cuánticos, esta primera demostración de espectroscopía de red transitoria completamente de rayos X duros identifica factores clave que podrían desbloquear regiones espaciales previamente inaccesibles, avanzando potencialmente la técnica TG para la dinámica a escala nanométrica en sistemas de materia condensada.
Este trabajo ha sido coordinado por Cristian Svetina en IMDEA Nanociencia, y es una colaboración amplia entre grupos de investigación en DESY Hamburgo, Paul Scherrer Institut (Suiza), Universidad de Berna, Instituto RIKEN (Japón), Elettra Sincrotrone (Italia), DECTRIS, Università degli Studi di Milano, CNR-IOM (Italia), PWGP Labs, ETH Zurich, Sincrotrón de Japón, Laboratorio Nacional de Argonne (EE.UU.), Universidad Politécnica de Cataluña (España), Universidad de Osaka, Instituto de Ciencia Molecular (Okazaki, Japón), Universidad de Estocolmo, Escuela Politécnica Federal de Lausana, el Instituto IMDEA Nanociencia (Madrid) y el European XFEL. El trabajo ha sido parcialmente financiado por la acreditación de Excelencia Severo Ochoa otorgada a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).
Glosario:
- Espectroscopía de red transitoria (TG): técnica de mezcla de cuatro ondas resuelta en el tiempo, en la que dos pulsos ópticos de bombeo se cruzan en la muestra para crear una excitación espacialmente periódica, cuya dinámica se monitorea mediante la difracción de un pulso de prueba (o un haz continuo).
- Efecto Talbot: fenómeno óptico en el que un patrón de luz periódico (como el creado por una rejilla o máscara) se reproduce a sí mismo a distancias regulares conforme se propaga. La distancia regular se llama longitud de Talbot, y las imágenes repetidas se denominan imágenes de Talbot. A fracciones pequeñas y regulares de la longitud de Talbot también pueden observarse subimágenes, formando un patrón fractal conocido como “alfombra de Talbot”.
Referencia
Eugenio Ferrari, Hiroki Ueda et al. All hard X-ray transient grating spectroscopy. Communications Physics 2025. DOI: 10.1038/s42005-025-02178-y
Enlace al Repositorio de IMDEA Nanociencia: https://hdl.handle.net/20.500.12614/4021
Contacto:
Cristian Svetina
cristian.svetina at imdea.org
X-ray Wave-mixing Spectroscopies (X-WaveS) Group
https://nanociencia.imdea.org/x-ray-wave-mixing-spectroscopies-x-waves/home
Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
Fuente: IMDEA Nanociencia.
El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.