Más allá de los microscopios. Picoscopía.

La materia se compone de elementos mucho más pequeños de lo que vemos con los ojos. Los microscopios han avanzado mucho, pero hay cosas que aún se les escapan, ¿Cómo es la estructura de la materia? Los láseres nos ayudan a saberlo.

por Óscar Pérez Benito

Poder escribir esto hace que esté contento y es que a todo científico le gusta que la investigación en su campo permita avanzar en el conocimiento de todo lo que nos rodea. En este caso se ha descubierto como los láseres, a parte de deslumbrar a Cristiano Ronaldo antes de tirar una falta, nos permiten ver muy dentro de la materia, ver cómo se distribuyen los electrones de la materia. No se a ti, pero a mí me parece alucinante.

Pero antes de nada pongámonos en contexto, el ojo humano tiene un límite (0,1 milímetros más o menos), pero estaremos todos de acuerdo de que hay cosas más pequeñas que eso. Pensemos en seres vivos, estamos hechos de células y éstas tienen un tamaño de micras (0,001 milímetros), para ver este tipo de cosas tenemos los microscopios y, si haces memoria, probablemente en el colegio o instituto hayas visto las células de una hoja en un microscopio. Si nos vamos a cosas más pequeñas, por ejemplo, los virus que tienen tamaños de nanómetros (0,000001 milímetros), los microscopios convencionales dejan de poder usarse y esto es debido a lo que se conoce como límite de difracción. Esto es, básicamente, que no se puede ver nada que sea más pequeño que la luz con la que lo ilumines. La luz que vemos está entre 400 y 700 nanómetros, así que en principio no podemos ver cosas más pequeñas que eso. Por suerte hay un montón de técnicas que nos permiten superar estas barreras, pero no podemos bajar mucho, ver cosas más pequeñas que 1 nanómetro es un gran reto, pero en la naturaleza hay cosas mucho más pequeñas.

Si queremos irnos a escalas tan pequeñas, necesitamos recurrir a técnicas que no requieran “ver”, si no a medidas indirectas. ¿Qué es eso de una medida indirecta? Vamos a verlo con un ejemplo: ¿Cómo podemos asegurar que la tierra es redonda? Yo no puedo medir eso, pero… las diferentes fases de la luna no son más que la sombra de la tierra en la superficie de la luna, así que, si la tierra fuese plana, la sombra también sería plana, pero no, es curva, así que la tierra es redonda (jaque mate terraplanistas).

Photo by Dom Le Roy on Pexels.com

Pues precisamente en este tipo de medidas es en lo que se basa esta nueva técnica de picoscopía, sí, picoscopía no microscopía. La microscopía es para ver cosas de micras, pero en este caso se han visto cosas mucho más pequeñas, de picómetros (0,000000001 milímetros), de ahí lo de picoscopía. Y, ¿para qué? ¿Qué se ha medido tan pequeño? Ya hice spoiler antes… nada más y nada menos que cómo es la estructura de los electrones de un cristal. Siendo un poco más preciso, no se han visto todos los electrones, se ha visto la distribución de los electrones de valencia. Los electrones en los átomos se colocan llenando diferentes capas. Los que se colocan en la última capa que, generalmente, no está completa son los que se conocen como electrones de valencia. Al estar en una capa externa y no completa, están menos ligados al núcleo del átomo y son los que más interaccionan ante alguna excitación.

Y como también adelantaba antes, esto se ha hecho con un láser. Los láseres sirven para muchas cosas, y esto es gracias al control que tenemos sobre ellos. Podemos poner una gran cantidad de luz, en un espacio muy pequeño un tiempo muy muy corto, y esto, ¿en que se traduce? Un “impacto lumínico” bestial. Me explico:

Por una parte, tenemos mucha luz en un espacio muy pequeño, y por muy milenial y amante de los animales que seas, todos sabemos lo que pasa si usas una lupa con el sol y le das a una hormiga… 

Y por otro lado tenemos el tiempo muy muy corto y para esto (como no) voy a poner un ejemplo: Si vas en un coche y pasas de 100km/h a 0km/h en 1 minuto, no pasa nada, es una frenada suave y “ni te enteras”. Pero ¿qué pasa si haces esa frenada, pero en 1 segundo? Ahí la cosa cambia, y el que va dentro del coche sale bastante peor parado. El coche tiene el mismo estado inicial y el mismo estado final, de ir a 100 km/h a estar parado, pero lo que pasa entre medias depende mucho de en cuánto tiempo ocurra. Exactamente lo mismo pasa con la luz.

La luz, es energía (y si no me crees, pregunta a las compañías eléctricas, puedes echarle un vistazo a otra de nuestras entradas https://laneuronaindiscreta.com/2021/03/07/la-mineria-del-futuro-hoy/), y si ponemos muchísima energía, en un punto muy pequeño, y con unos cambios que ocurren en un tiempo muy muy pequeño, empiezan a pasar fenómenos a los que no estamos acostumbrados, los que se denominan fenómenos no lineales. En la física del láser uno de los fenómenos no lineales por excelencia es lo que se conoce como generación de armónicos de orden alto (HHG del inglés High Harmonic Generation). Esto de los armónicos es mi campo de estudio y podría hablar mucho de ello (si tienes curiosidad, háznosla llegar y ampliamos la información sobre este tema), pero de momento vamos a quedarnos con que es algo que ocurre cuando irradias materia con un laser potente que emite pulsos muy cortos.

Para explicar este fenómeno de HHG existen modelos matemáticos que se basan en cómo se mueven los electrones (sí, estos son los que vamos a ver) cuando le llegan golpes de luz de los que acabo de describir y la precisión de estos modelos es muy muy buena. Estos modelos dependen de muchos parámetros, entre los cuales están valores que describen las distancias entre átomos que componen un material, distribuciones de electrones (que son los que interesan en este caso) entre otros muchos. Por lo que si se miden los armónicos de orden alto que emite un determinado material, y se ajusta el modelo para que reproduzca los resultados que se han medido. Se pueden extraer estos parámetros y por tanto conocer cómo están colocados los átomos los electrones a su alrededor con una resolución de unos 50 picómetros. Por motivos de copyright no se pueden mostrar estas imágenes, pero aquí abajo está disponible la referencia al trabajo en el que se ha conseguido esto.

Referencia

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