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Comprender la estructura cristalina de los materiales y cómo reaccionan ante determinados fenómenos es vital para avanzar en el campo de la física de materiales. Para poder crear nuevos circuitos eléctricos, chips fotónicos o superconductores de última generación es necesario comprender los materiales a escalas extremadamente diminutas.
Para lograrlo, los científicos utilizan lo que se conoce como láser de electrones libres de rayos X (XFEL), como el del Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC). Al final de este tubo de 2,9 kilómetros de largo hay un microscopio que examina los materiales utilizando rayos X extremadamente brillantes a través de una muestra de 1 mm.
Estas instalaciones XFEL (de las que sólo hay un puñado en todo el mundo) crean "películas" que captan los movimientos atómicos en el interior de una estructura cristalina. Por primera vez, científicos de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) y de la Universidad de Stanford han captado ondas sonoras en su recorrido por un cristal de diamante. Para captar estas ondas sonoras, los científicos filmaron con éxito la muestra de cristal con una precisión extremadamente alta, ya que la onda sólo existe dentro del cristal durante una millonésima de segundo. Los resultados se publicaron a mediados de septiembre en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
"Nuestros finísimos rayos X y rayos láser ópticos tuvieron que encontrarse en la muestra de diamante monocristalino de un milímetro de tamaño con una precisión de sincronización superior a un nanosegundo antes de que se pudieran adquirir los primeros datos", declaró en un comunicado de prensa Henning Friis Poulsen, profesor de Física de la DTU y coautor del estudio. "Pero lo conseguimos, y creo que estos resultados inspirarán una plétora de nuevas investigaciones".
Utilizando los pulsos láser ultrarrápidos y ultrabrillantes de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) del SLAC, el equipo midió este fenómeno acústico con una precisión de subpicosegundos, un nivel de detalle nunca antes captado. También pudieron capturar estas ondas sonoras de forma no invasiva, lo que ayudó a preservar la integridad estructural de la muestra.
El vídeo de arriba muestra diferentes ondas sonoras que se reflejan en la superficie de la estructura cristalina como si se tratara de un minúsculo juego de Pong. Otro vídeo muestra cómo la onda sonora se difunde y atenúa en menos de un microsegundo.
"Con este dispositivo podemos investigar una amplia gama de fenómenos estructurales ultrarrápidos que hasta ahora estaban fuera del alcance de la ciencia", afirma en un comunicado de prensa Theodor Holstad, coautor del estudio. "Visualizar procesos estructurales en una escala de tiempo inferior a un microsegundo es relevante para la física del estado sólido, la ciencia de materiales y la geociencia".
Comprender estos pequeños matices a escalas extremadamente pequeñas también puede aportar información importante sobre fenómenos a gran escala, por ejemplo, por qué ciertos materiales se fortalecen mientras que otros se rompen cuando son sometidos al mismo nivel de fuerza. Leora Dresselhaus-Marais, de Stanford, que participó en el estudio, afirma en un comunicado de prensa de la universidad que, aunque tenemos un conocimiento avanzado de estos fenómenos más macro (como las transformaciones de fase), a los científicos aún les falta información vital sobre estos "acontecimientos instigadores" que se producen en escalas de tiempo increíblemente cortas.
Sin embargo, añadió, las lagunas en nuestros conocimientos están desapareciendo poco a poco. "Al mostrar este comportamiento en el diamante -un cristal con la velocidad de sonido más rápida- ilustramos las nuevas oportunidades que ofrece ahora nuestro microscopio para estudiar nuevos fenómenos en el interior de los cristales", afirmó Dresselhaus-Marais. "Con escalas de tiempo ultracortas ahora a nuestro alcance, tenemos la capacidad de cazar estos eventos raros en sus escalas de tiempo nativas".
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