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Un grupo de investigadores del XFEL europeo han desarrollado un nuevo dispositivo para la medición de rayos X con altas energías de fotones, el llamado espectrómetro Laue.
Este nuevo espectómetro permite detectar luz de rayos X con energías de fotones superiores a 15 kiloelectronvoltios con mayor eficacia y precisión. Esto es importante para investigar materiales técnicamente significativos que, por ejemplo, transporten electricidad sin pérdidas o garanticen que los procesos químicos funcionen con mayor eficacia.
Para desentrañar los secretos del mundo de los átomos, las moléculas y los materiales en general, los científicos suelen utilizar dispositivos de medición especiales conocidos como espectrómetros. Funcionan registrando la luz que emiten los objetos. A partir de la forma en que los objetos lo hacen, los investigadores aprenden mucho sobre los procesos físicos que tienen lugar en los materiales. Especialmente reveladora es la investigación con luz de rayos X, que penetra profundamente en la materia y proporciona información específica de cada especie atómica. Esta luz es invisible a nuestros ojos, pero puede detectarse y medirse con espectrómetros especiales.
Los componentes principales de estos aparatos suelen ser cristales de silicio o germanio tallados con extrema precisión. Tradicionalmente, los espectrómetros de rayos X funcionan en lo que se conoce como geometría de Bragg: La luz de rayos X incide en el cristal y es difractada por los planos atómicos paralelos a la superficie, de forma similar a como los espejos reflejan la luz visible. A partir de la dirección y la intensidad de la radiación difractada, los investigadores pueden extraer conclusiones sobre las propiedades electrónicas de los materiales que están analizando.
Una característica única del XFEL europeo es la capacidad de proporcionar luz de rayos X con una energía muy elevada. Sin embargo, a medida que aumenta la energía de los rayos X, la interacción con los cristales se hace menor, lo que dificulta las mediciones. En este régimen de alta energía fotónica, una gran proporción de la luz de rayos X simplemente atraviesa el cristal sin ser utilizada, razón por la cual el rendimiento de los espectrómetros de rayos X que utilizan estos analizadores, conocidos como espectrómetros Johann o Von Hamos, disminuye rápidamente al aumentar la energía de los rayos X. Normalmente sólo funcionan bien hasta una energía de fotones de unos 15 kiloelectronvoltios (keV).
Los investigadores del instrumento FXE del XFEL europeo han desarrollado ahora un nuevo espectrómetro que permite obtener resultados significativos incluso a energías muy superiores a 15 keV. Funciona en la llamada geometría Laue. Esto significa que los rayos X atraviesan el cristal y son difractados por capas atómicas perpendiculares a la superficie. Cuanto mayor es la energía de los rayos X, más eficaz es el funcionamiento del analizador Laue. "Nuestro diseño optimizado con una curvatura fija y un radio de curvatura corto da como resultado analizadores sin distorsiones perceptibles en la superficie, lo que simplifica considerablemente la configuración y la medición con el espectrómetro Laue", afirma Frederico Lima, científico del instrumento FXE. "El rendimiento de este espectrómetro supera con creces los diseños anteriores con analizadores Laue curvados dinámicamente".
El nuevo dispositivo, denominado Espectrómetro de Emisión de Rayos X Laue de Alta Energía (HELIOS), ya está instalado y a disposición de todos los usuarios del XFEL Europeo. Proporciona una precisión extremadamente alta de aproximadamente 1,2 x 10-4 a una energía de fotones de unos 18,6 keV. En comparación con los espectrómetros convencionales, alcanza una intensidad de señal entre 4 y 22 veces superior. Esto permite detectar transiciones electrónicas especialmente interesantes en los llamados metales de transición 4d, que de otro modo serían muy difíciles de medir. Los metales de transición 4d incluyen elementos técnicamente importantes como el niobio, el molibdeno, el rutenio, el paladio y la plata.
"El nuevo espectrómetro abre posibilidades espectroscópicas completamente nuevas a altas energías de rayos X, sólo posibles en el XFEL europeo", afirma Lima. Algunos ejemplos son la medición de las propiedades fotocatalíticas de nanopartículas que contienen metales 4d, la investigación de la sensibilización de colorantes para aplicaciones en células solares y la investigación de materiales fuertemente correlacionados que podrían utilizarse como superconductores o como cátodos o ánodos de baterías para el almacenamiento eficiente de energía.
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