CHIRALTEM, un nuevo giro a la microscopía

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En el año 2003, dos físicos que estaban tanteando unas ecuaciones referentes a electrones dieron con una fórmula que parecía indicar que algo que antaño se consideraba imposible podría, en realidad, no serlo.

Según arrojaban sus cálculos, parecía ser viable el utilizar un micro scopio electrónico de transmisión (MET o TEM en inglés) – del tipo que se encuentra en los laboratorios de todo el mundo – para estudiar con gran detalle las características magnéticas de los materiales. Hasta entonces, estos estudios se hacían en sincrotrones, que son grandes, costosos y bastante escasos.

Al objeto de comprobar si su teoría funcionaba en la práctica, los científicos austriacos unieron fuerzas con un equipo multidisciplinario de científicos procedentes de Alemania, Italia y la República Checa, reunidos en el marco del proyecto CHIRALTEM («Chiral Dichroism in the Transmission Electron Microscope» o «Dicroísmo quiral en el microscopio electrónico de transmisión»). Hasta aquel momento, a ningún otro equipo científico en el mundo se le había ocurrido investigar esta idea.

Los investigadores probaron que los MET pueden efectivamente revelar información sobre las características magnéticas de los materiales. Y lo que es más: el nivel de precisión era superior al conseguido mediante otras técnicas como el dicroísmo circular magnético de rayos X (X-ray magnetic circular dichroism o XMCD). Este descubrimiento podría tener diversas aplicaciones, por ejemplo en los ordenadores cuánticos, que almacenan datos aprovechando el giro de los electrones.

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Sondear la materia con electrones

Desde los años treinta, los investigadores han venido utilizando los MET para estudiar materiales a nanoescala. Por ejemplo, el interior de las células y la estructura de cristales.

Los MET funcionan de manera similar a los microscopios de luz comunes, sólo que, en vez de luz, utilizan un haz de electrones que se enfoca con lentes magnéticas. Como los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la luz visible, los MET permiten agrandar la imagen mucho más y ofrecen, por tanto, mayor resolución que los microscopios de luz.

Un inconveniente de los MET es que no permiten estudiar las características magnéticas de determinados átomos en una muestra. En teoría, se podría utilizar un MET para realizar esta tarea si pudiera producir un haz de electrones polarizado en el que todos los electrones estuvieran girando en la misma dirección. Sin embargo, como el haz de electrones que producen los MET no está polarizado, los físicos concluyeron que no servían para estudiar las características magnéticas de una muestra.

Una técnica complicada

Hasta ahora, el único método disponible para estudiar las propiedades magnéticas de un material era el XMCD. Éste se basa en un fenómeno denominado «polarización circular». La polarización circular se produce cuando las ondas electromagnéticas – tales como la luz visible – parecen rotar en la dirección en la que se mueve el haz de luz, como una flecha que al volar girase sobre sí misma.

En el XMCD se proyecta un haz de rayos X polarizado sobre una muestra. La manera en que el material absorbe los rayos X viene determinada por la dirección del campo magnético, un efecto llamado dicroísmo. El XMCD tiene algunos inconvenientes: su resolución no es tan alta como la que alcanza un MET, y una técnica que se usa muy a menudo – la microscopía electrónica de fotoemisión inducida por rayos X (XPEEM por sus siglas en inglés) – no puede más que sondear la superficie del material. El principal problema del XMCD es que para generar el haz de rayos X se requiere un sincrotrón, y los sincrotrones son extremadamente costosos y relativamente escasos.

Una apuesta sin garantías

La ecuación que los científicos habían formulado ponía en entredicho, sobre el papel, la supuesta imposibilidad de estudiar las propiedades magnéticas de una muestra mediante los MET. Pero ¿funcionaría en la práctica esta ecuación? El objetivo de CHIRALTEM era averiguarlo y, en caso de que funcionara, comparar la nueva técnica con el XMCD. Hasta ese momento, nadie había intentado algo similar y los miembros del consorcio no tenían ninguna garantía de éxito.

Los socios del proyecto llevaron a cabo estudios de materiales magnéticos en un MET, al objeto de comprobar si se podían detectar los denominados efectos dicroicos. Para conseguir esto, los científicos tuvieron que determinar la manera más adecuada de preparar las muestras y de controlar el campo magnético dentro del MET.

El equipo pronto constató que, efectivamente, sí se podían detectar efectos magnéticos usando el haz de electrones común de un MET estándar. Los investigadores de CHIRALTEM bautizaron su técnica como «dicroísmo quiral magnético de pérdida de energía de los electrones transmitidos» (electron energy-loss magnetic chiral dichroism o EMCD). Los resultados de sus investigaciones fueron publicados en la prestigiosa revista científica Nature en su edición de mayo de 2006.

El EMCD presenta muchas ventajas con respecto a otras técnicas: la alta resolución que ofrece el MET permite discernir estructuras magnéticas de tamaño diez veces inferior al de las identificadas con las técnicas de rayos X existentes.

Ahora, gracias al EMCD, los MET permiten estudiar simultáneamente la cristalografía, morfología, química y propiedades magnéticas de una muestra.

Un gran abanico de posibilidades

Los excelentes resultados del proyecto abren un gran abanico de posibilidades. El EMCD podría convertirse en un nuevo método para analizar y caracterizar las propiedades magnéticas de los materiales a escala nanométrica. Además, podría servir para comprender mejor los fenómenos magnéticos en ciertos elementos químicos, resultando asimismo de enorme ayuda para estudiar las películas magnéticas finas.

En el campo de la biología, el EMCD podría ser una herramienta muy valiosa para quienes estudian la gran variedad de seres vivos capaces de detectar el campo magnético de la Tierra y valerse de él para navegar. Muchas criaturas – pájaros, bacterias y reptiles, entre otras – llevan una brújula incorporada. Las palomas, por ejemplo, disponen de material magnético en sus picos. Estudiar los modos en que utilizan el campo magnético de la Tierra las distintas criaturas podría ayudarnos, entre otras cosas, a comprender mejor cómo se desplazan los animales durante la migración.

En lo que se refiere a sus aplicaciones industriales, el EMCD podría servir para investigar los materiales que se utilizarán en los futuros dispositivos miniaturizados de grabación o en los ordenadores que se basan en el giro de los electrones para almacenar datos.

En la actualidad, los socios del proyecto CHIRALTEM trabajan también para fomentar el contacto entre los expertos en microscopía electrónica y los usuarios de sincrotrones, pues entre estos grupos ha habido poco diálogo en el pasado, y una relación de trabajo más estrecha entre ellos podría ser de gran utilidad de cara a futuros avances en este campo.

Al conseguir demostrar algo que hasta ahora se consideraba imposible, CHIRALTEM ha puesto de relieve la naturaleza pionera de la investigación europea y, al mismo tiempo, ha abierto un nuevo y apasionante campo de investigación cuyo enorme potencial, de momento, no hemos hecho más que atisbar.