La sombra de los átomos

Seguramente todos los físicos tenemos un fenómeno preferido. Puede que sean los eclipses, el arco iris, los relámpagos, las auroras boreales, el péndulo de Foucault, los láseres… pero siempre hay uno que nos parece el más bonito. Imagino que por eso, cansados ya de debatir sobre el tema, hace años hicieron la encuesta sobre los 10 experimentos más hermosos de la física.

Esta entrada es especial porque os voy a confesar mi fenómeno favorito con motivo de un reciente artículo que he escrito sobre él para la RSEF. Allá va: mi fenómeno físico predilecto es la canalización iónica. Ya está. Ya lo he dicho… =D Ah, ¿que queréis saber por qué? Pues a ver: ¿puede haber algo más impresionante que utilizar la sombra de un átomo?

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Cono de sombra de un núcleo frente a la colisión con iones

La canalización iónica es una técnica que aprendí a usar durante mi tesis, cuando empecé a hacer experimentos de dispersión como el famoso experimento de Rutherford, del que ya os he hablado en alguna otra ocasión. Como sabéis este experimento sirvió para descubrir que los átomos están prácticamente vacíos, y que casi toda su masa se encuentra en un núcleo positivo muy pequeño. Eso significa que cuando bombardeas un átomo con partículas positivas (digamos que iones), su núcleo tiene una especie de escudo coulombiano que impide que impacten contra él directamente por la repulsión eléctrica entre la carga de la partícula y la del núcleo. A ese escudo lo llamamos cono de sombra, porque los núcleos que quedan por detrás de él están ocultos para las partículas, cobijados bajo su sombra.

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Redes cristalinas con simetría cúbica

Pero la idea genial viene ahora: ¿qué pasa si haces el experimento de Rutherford en un cristal? En los cristales los átomos están ordenados siguiendo un patrón simétrico por lo que, en determinadas direcciones, los átomos pueden estar perfectamente alineados con las partículas incidentes. A Johannes Stark (1874-1957) se le ocurrió que, cuando eso pasara, los átomos de la superficie protegerían, no sólo al que está inmediatamente después, sino ¡a toda la fila de átomos! El cono de sombra se alargaría tanto que las partículas incidentes sólo podrían viajar por los huecos de la red: viajarían canalizadas.

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Concepto de canalización: las filas de átomos del cristal forman una barrera y los iones penetran sin sufrir colisiones.

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El alineamiento de los átomos en el cristal impide las colisiones directas y reduce los fenómenos de dispersión Rutherford.

Es como si los átomos del cristal fueran los peones de un tablero de ajedrez. El peón de la superficie se sacrifica y oculta a los que están detrás. Él recibirá los ataques directos de los iones que lleguen, pero el resto de los átomos estará protegido por su escudo y no verá la lluvia de partículas lanzada sobre ellos.

La idea de Stark, propuesta en 1912, era tan brillante que, como suele pasar en la ciencia, permaneció olvidada durante medio siglo. Sin embargo, cuando los aceleradores de partículas empezaron a desarrollarse para analizar la materia la idea volvió a surgir: fue redescubierta y elaborada. Hoy en día, los experimentos de canalización se pueden hacer de forma rutinaria en muchos aceleradores del mundo, y así es como yo dí con ella.

¿Por qué es tan útil la canalización y cómo podemos usar la sombra de los átomos para analizar cristales? Pues bien, resulta que la canalización nos permite ver las impurezas de los cristales, es más: nos permite decir dónde están las impurezas. Pero para enteder esto empecemos por decir que hay 3 geometrías fundamentales para hacerlo.

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Geometrías para canalización de iones en un cristal de Si: (a) axial, (b) planar, (c) aleatoria.

Por un lado podemos alinear el haz de iones con un eje del cristal, es decir, los iones penetran paralelos a un eje de simetría principal. A esto se le llama canalización axial y es el método más común. También podríamos alinear el haz con un plano del cristal, es decir, los iones penetran paralelos a un plano pero sin seguir ningún eje concreto de simetría. A esto lo llamamos canalización planar. Por último, podemos poner el cristal en una posición aleatoria, que no está alineada con ningún eje ni plano. En esta posición no habrá realmente fenómeno de canalización (es equivalente a tener un material amorfo) pero es muy importante, porque es la referencia para comparar las demás. Además, es la más difícil de obtener porque, si lo pensáis bien, sólo hay una forma de estar alineado pero hay infinitas formas de no estarlo =).

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Cristal de Si alineado según el eje <100> y su patrón de canalización iónica. El patrón es una huella dactilar del cristal que indica su simetría.

Ahora que ya sabéis colocar el cristal, para hacer el experimento de canalización lo único que hace falta es bombardearlo con iones de alta energía y medir el número de partículas dispersadas en función de la posición del cristal. Cuando hacemos esto lo que descubriremos es un patrón de mínimos y máximos que refleja directamente la estructura del cristal. Es una huella dactilar. Si estamos justo en el centro veremos un mínimo muy intenso porque estaremos perfectamente alineados con el eje (<100> en este caso). Alrededor de esa posición hay varias orientaciones que también dan mínimos menos intensos, y que corresponden a los planos de simetría (canalización planar). Fuera de esas regiones los iones dispersados aumentan mucho hasta alcanzar niveles equivalentes a una posición aleatoria.

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Cristales, sus colores y las impurezas que los crean. (Fuente: Compound Interest)

Y esto es lo realmente maravilloso de la canalización: usando la sombra de los átomos podemos ver dónde están colocados en el cristal y podemos determinar su simetría. Pero hay más. Suponed que nuestro cristal tiene impurezas o defectos; y todos los cristales los tienen… Saber qué impurezas hay y dónde están colocadas es algo muy importante porque, en realidad, las impurezas pueden controlar las propiedades del cristal. Por ejemplo, químicamente los cristales de rubí y de zafiro son idénticos (ambos son Al2O3), pero el rubí es rojo porque tiene impurezas de Cr sustituyendo al Al mientras que el zafiro es azul porque tiene impurezas de Ti y Fe en las posiciones de Al.

Algunas impurezas buscan colocarse en sitios de red, es decir, tienden a sustituir los átomos del cristal, mientras que otras buscan los huecos vacíos (son intersticiales). Puede haber, también, comportamientos mixtos en los que una misma impureza juegue a ser sustitucional e intersticial. ¿Cómo podemos diferenciarlas?

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Iones canalizados en geometría axial <100> dentro de un cristal de Si: las zonas de los átomos bloquean los iones incidentes, que se reconducen hacia los canales abiertos de la red

Imaginad que sóis un ión de He viajando a 0.02 veces la velocidad de la luz que llega a un cristal orientado en un eje cristalográfico. ¿Qué pasaría si el cristal tuviera impurezas intersticiales? Efectivamente, vosotros viajábais contentos oscilando dentro del canal de la red cristalina (wiiiiiii =), pero de repente ¡esa impureza intersitical se os ha puesto en medio del camino y acabáis de chocar con ella! Acabas de ser violentamente dispersado y finalizarás tu vida en un detector de partículas. Así, cuando miremos el número de partículas dispersadas, a pesar de que el cristal está perfectamente alineado, en vez de haber un mínimo de partículas dispersadas, habrá un máximo debido a las impurezas intersticiales. Ya véis: nuestro iones canalizados son unos delatadores excepcionales.

Location

Sitios posibles de las impurezas (abajo) y sus patrones de canalización (arriba). Cada sitio tiene una huella única que indica la posición de la impureza.

Ahora pensad que sóis ese mismo ión, pero que la impureza es sustitucional. ¿Qué veríais? Exacto: nada. Si la impureza es sustitucional no hay diferencia con otro átomo cualquiera del cristal, está camuflada, así que el patrón que veríais sería el mismo que el original, con un mínimo en el centro del eje.

GPS-Triangulation

Sistema de triangulación en el GPS, similar al que se puede usar en canalización para determinar el sitio de una impureza.

Evidentemente puede haber situaciones más complicadas, por ejemplo: que la impureza intente ser sustitucional pero sea tan grande (o pequeña), que al deformar los enlaces se desplace ligeramente de la posición ideal. En esos casos no es posible determinar la posición únicamente con un eje del cristal sino que hay que medir varios. Después de ver el comportamiento de la impureza en los distintos ejes, se utiliza un proceso de triangulación similar al del GPS para darte tus coordenadas en la Tierra. Eso sí, el GPS puede darte tu posición con un error de pocos metros, pero la canalización permite decirte dónde está la impureza con una ¡precisión de milésimas de nanómetros! ¿No es increíble?

Pitágoras dijo una vez:

No desprecies a nadie; un átomo hace sombra.

Ahora sabéis que no sólo hace sombra sino que además podemos verla, y podemos usarla para estudiar directamente los defectos atómicos de los cristales. Podéis intentar convencerme de que la canalización iónica no es el fenómeno más hermoso de la Física (para eso están los comentarios del blog), pero después de todo lo que os he dicho… ¿de verdad esperáis conseguirlo?

@DayInLab


Nota: El artículo en el que se basa esta entrada fue publicado en la Revista Española de Física, y recibió el premio de la Real Sociedad Española de Física – Fundación BBVA 2016 como mejor artículo de divulgación del año. Agradezco enormemente este honor a la Sociedad, pero también a todos vosotros que lo habéis hecho importante con vuestras lecturas.

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