Investigadores del European XFEL han desarrollado un nuevo dispositivo para mediciones de rayos X a altas energías de fotones, conocido como espectrómetro de Laue. Este innovador aparato permite detectar luz de rayos X con energías de más de 15 kilo-electrón-voltios (keV) de manera más eficiente y precisa.
La importancia de este avance radica en su aplicación en la investigación de materiales técnicamente significativos, como aquellos que transportan electricidad sin pérdidas o que optimizan procesos químicos. Los hallazgos derivados de esta investigación han sido publicados en el Journal of Synchrotron Radiation.
Funcionamiento del Espectrómetro de Laue
Para desentrañar los secretos del mundo de los átomos y moléculas, los científicos utilizan dispositivos de medición llamados espectrómetros, que registran la luz emitida por los objetos. A partir de la forma en que los objetos emiten esta luz, los investigadores pueden obtener información valiosa sobre los procesos físicos que ocurren en los materiales.
El uso de luz de rayos X es particularmente revelador, ya que penetra profundamente en la materia y proporciona información específica sobre cada especie atómica. Este tipo de luz es invisible a nuestros ojos, pero puede ser detectada y medida utilizando espectrómetros especializados.
Los componentes principales de estos dispositivos son cristales cortados con gran precisión, generalmente de silicio o germanio. Tradicionalmente, los espectrómetros de rayos X operan en lo que se conoce como geometría de Bragg, donde la luz de rayos X impacta en el cristal y es difractada por los planos atómicos paralelos a la superficie, similar a cómo los espejos reflejan la luz visible.
En el caso del nuevo espectrómetro de Laue, el cual funciona en la geometría de Laue, los rayos X atraviesan el cristal y son difractados por capas atómicas perpendiculares a la superficie. Esta metodología permite superar las limitaciones de los espectrómetros convencionales, que suelen funcionar de forma óptima solo hasta energías de aproximadamente 15 keV.
El espectrómetro desarrollado, denominado Espectrómetro de Emisión de Rayos X de Alta Energía de Laue (HELIOS), se ha instalado y está disponible para todos los usuarios en el European XFEL. Este dispositivo ofrece una precisión extrema de aproximadamente 1.2 x 10-4 a una energía de fotón de alrededor de 18.6 keV. En comparación con los espectrómetros convencionales, HELIOS logra una intensidad de señal que es de cuatro a 22 veces superior.
Este avance tecnológico permite detectar transiciones electrónicas particularmente interesantes en metales de transición 4D, que normalmente son difíciles de medir. Entre estos metales se encuentran elementos de gran relevancia técnica, como el niobio, molibdeno, rutenio, paladio y plata.
El Dr. Frederico Lima, científico del instrumento FXE, ha señalado que «el nuevo espectrómetro abre posibilidades espectroscópicas completamente nuevas a altas energías de rayos X, solo posibles en el European XFEL». Entre las aplicaciones potenciales se incluyen la medición de propiedades fotocatalíticas de nanopartículas que contienen metales 4D, la investigación sobre la sensibilización de colorantes para aplicaciones en células solares y el estudio de materiales fuertemente correlacionados que podrían ser usados como superconductores o como cátodos o ánodos de baterías para un almacenamiento eficiente de energía.
Más información:
X. Huang et al, A high-energy Laue X-ray emission spectrometer at the FXE instrument at the European XFEL, Journal of Synchrotron Radiation (2025). DOI: 10.1107/S1600577525001389
