Un nuevo método captura la dinámica estocástica en técnicas de imagen con rayos X coherentes

04.09.2024

Múltiples instantáneas revelan, a través de un patrón de difracción de rayos X, las características de un proceso estocástico ultrarrápido. Imagen: Arnab Sarkar y Allan Johnson.

• Investigadores de IMDEA Nanociencia conciben un nuevo enfoque para obtener imágenes reales de procesos estocásticos a nanoescala, actualmente inalcanzables con los enfoques existentes, mediante imagen de rayos X.
• Este método permitiría la obtención de imágenes y el estudio de procesos ultrarrápidos evitando el uso de grandes flujos de rayos X, que podrían dañar las muestras.
• El método no requiere necesariamente el uso de pulsos de rayos X ultracortos, lo que abre la posibilidad de obtener imágenes de procesos en femtosegundos utilizando radiación continua y de banda ancha.

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Madrid, 4 de septiembre, 2024. Las técnicas de imagen de rayos X coherentes se han convertido en una poderosa herramienta para estudiar tanto las estructuras como la dinámica a nanoescala en la materia condensada y los sistemas biológicos. La resolución nanométrica, junto con la sensibilidad química y la información espectral, hacen de las imágenes de rayos X una poderosa herramienta para comprender procesos como la catálisis, la recolección de luz o la mecánica. Desafortunadamente, estos procesos pueden ser aleatorios o de naturaleza estocástica. Con el fin de obtener imágenes de fotogramas congelados para estudiar la dinámica estocástica, los flujos de rayos X deben ser muy altos, lo que podría calentar o incluso destruir las muestras. Además, las tasas de adquisición de los detectores son insuficientes para capturar los rápidos procesos en la nanoescala. Las técnicas estroboscópicas permiten obtener imágenes de procesos ultrarrápidos que se repiten en el tiempo. Pero solo se pueden extraer valores medios de la dinámica, descartando la medición de procesos estocásticos, donde el sistema evoluciona a través de un camino diferente en el espacio de fases en cada medición. Estos dos obstáculos impiden que las técnicas de imagen con rayos X coherentes se apliquen a sistemas complejos.

El Dr. Allan Johnson, líder del Grupo de Ciencia Ultrarrápida de Materiales Cuánticos en IMDEA Nanociencia, junto con el Dr. Arnab Sarkar, han concebido un nuevo método para recuperar directamente la señal en una amplia variedad de sistemas actualmente inalcanzables con los enfoques existentes. Los investigadores han demostrado que, aprovechando la coherencia intrínseca a estos métodos, es posible separar las contribuciones estocásticas y deterministas en un patrón coherente de dispersión de rayos X, devolviendo imágenes espaciales reales de las contribuciones deterministas y el espectro de momento de las contribuciones estocásticas.

Los procesos estocásticos están muy extendidos en la nanoescala, donde los efectos térmicos o cuánticos se vuelven muy significativos. Por ejemplo, los materiales cuánticos a menudo exhiben movimiento estocástico en sus portadores de carga, vórtices o dominios. Debido a la dificultad de formar imágenes en el espacio real de tales procesos estocásticos, las fluctuaciones generalmente se estudian a través de métodos alternativos que devuelven las propiedades estadísticas –valores medios. Las mediciones de una única toma, realizadas con láseres de electrones libres, podrían capturar instantáneas de las fluctuaciones, aunque podría no ser posible aplicarlo en muchos sistemas por dañar la muestra. Recientemente, se han utilizado imágenes de correlación coherente para agrupar fotogramas similares en mediciones repetidas hasta que la relación señal-ruido es suficiente para reconstruir imágenes reales. Esta técnica es un gran avance metodológico, pero todavía requiere suficiente flujo de rayos X para garantizar que los fotogramas parciales adquiridos sean lo suficientemente completos.

En su trabajo, publicado recientemente en Materials Advances, investigadores de IMDEA Nanociencia han demostrado un nuevo enfoque para separar las contribuciones estocásticas y deterministas (valores medios) en métodos de imagen coherente. A partir del patrón de difracción promedio de múltiples instantáneas, los investigadores demuestran que es posible aislar la parte estocástica a través de un análisis de holografía por transformada de Fourier. Han demostrado que pueden devolver imágenes del espacio real de las fluctuaciones medias en tres casos representativos: defectos puntuales no correlacionados (vórtices), pares tipo polarón y paredes de dominios metálicos en una matriz aislante. Al aplicar estos métodos de reconstrucción a los patrones de dispersión, los investigadores recuperaron una variedad de información cuantitativa: separación, tamaño y cambio de fase de los pares de polarones, y tamaño, forma y carácter metálico (dependencia espectral) de las paredes del dominio.

Hay muchos más ejemplos de fluctuaciones a nanoescala disponibles donde se podría aplicar este método, denominado imagen difractiva aislada de coherencia (CIDI, en inglés). Por ejemplo, en el seguimiento del movimiento de los portadores de carga o de las fluctuaciones del dominio en los materiales cuánticos. Además, el uso de la técnica CIDI para estudiar fluctuaciones rápidas no requiere pulsos de rayos X de femtosegundos; la limitación vendría dada por el tiempo de coherencia de la luz, que determina la ventana de tiempo en la que las contribuciones de la dispersión pueden sumarse coherentemente en el detector. Esto significa que puede ser posible obtener imágenes de las fluctuaciones de femtosegundos utilizando radiación de onda continua de banda ancha, por ejemplo haciendo uso del el haz rosa de un sincrotrón.

Este trabajo ha sido realizado en IMDEA Nanociencia y está parcialmente financiado por el sello de Excelencia Severo Ochoa otorgado a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).

Glosario

Dinámica estocástica: rama de la mecánica que se ocupa del movimiento de los sistemas sobre los que actúan fuerzas aplicadas aleatoriamente en el tiempo.

Imagen de rayos X: generación de imágenes utilizando radiación de alta energía, con longitudes de onda en el rango entre ultravioleta y gamma (0,1-10 nanómetros).

Sincrotrón: un tipo de acelerador circular de partículas. Funciona acelerando partículas cargadas (electrones) a través de secuencias de imanes hasta que alcanzan casi la velocidad de la luz. Estos electrones que se mueven rápidamente producen luz muy brillante, predominantemente en la región de rayos X, que es utilizada por los científicos para estudiar átomos y moléculas.

Polarón: cuasipartícula formada por un electrón o un hueco, junto con su campo de polarización autoinducido.

Pared de dominio: el límite entre dos dominios vecinos. En materiales magnéticos, un dominio es una región del material con la misma orientación de los momentos atómicos individuales.

Referencia:

Arnab Sarkar and Allan S. Johnson. Coherent X-ray imaging of stochastic dynamics. Materials Advances (2024). DOI: https://doi.org/10.1039/d4ma00154k

https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3705

Contacto:

Dr. Allan S. Johnson
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Ultrafast Science of Quantum Materials Group

Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
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Fuente: IMDEA Nanociencia.