Neutrones para escudri?ar la materia

El estadounidense Clifford Shull y el canadiense Bertram Brockhouse han sido galardonados con el Premio Nobel de F¨ªsica de este a?o por sus contribuciones a la t¨¦cnica experimental de dispersi¨®n de neutrones. Ambos cient¨ªficos fueron pioneros, en las d¨¦cadas de los cuarenta y cincuenta, en la construcci¨®n de aparatos que permitieron la utilizaci¨®n de los haces de neutrones producidos en reactores de fisi¨®n nuclear para el estudio de las propiedades estructurales y magn¨¦ticas de la materia. Las t¨¦cnicas que Shull y Brockhouse desarrollaron han evolucionado y permiten hoy d¨ªa el estudio de la estructura y din¨¢mica microsc¨®pica y mesosc¨®pica de un gran abanico de sustancias de inter¨¦s para f¨ªsicos, qu¨ªmicos, bi¨®logos, ge¨®logos e ingenieros de materiales.Shull y su fallecido colega Ernest O. Wollan construyeron en 1948, en el laboratorio de Oak Ridge (EE UU), un difract¨®metro de cristal que permit¨ªa la selecci¨®n de neutrones de una determinada velocidad de entre los que emerg¨ªan de un reactor de fisi¨®n al hacerlos incidir sobre un cristal de sal com¨²n. El haz de neutrones (part¨ªculas subat¨®micas exentas de carga el¨¦ctrica, pero dotadas de spin) as¨ª seleccionado se hac¨ªa incidir sobre una sustancia cristalina finamente dividida, donde experimentaba un segundo proceso de difracci¨®n (desviaci¨®n en la direcci¨®n de movimiento de acuerdo con las diferentes velocidades de los neutrones) revelando las posiciones de los n¨²cleos de los ¨¢tomos que la integran.

Precisamente en la interacci¨®n directa de los neutrones con los n¨²cleos, en contraposici¨®n a la interacci¨®n sufrida por los rayos X con los electrones de los ¨¢tomos, reside la potencia de las t¨¦cnicas de dispersi¨®n de neutrones. La relativa simplicidad del difract¨®metro de neutrones de Wollan y Shull (semejante al propuesto por Marshall y Fermi) permiti¨® su pronta adopci¨®n por muchos otros laboratorios.

Distinguir is¨®topos

Shull y sus colaboradores demostraron tempranamente la capacidad ¨²nica del neutr¨®n para distinguir entre elementos muy cercanos del sistema peri¨®dico e incluso entre los is¨®topos de un mismo elemento y, la capacidad para desvelar los detalles de la estructura magn¨¦tica.

En 1956, Shull fue contratado por el Instituto Tecnol¨®gico de Massachussets (EE UU) para dirigir el programa cient¨ªfico en el primer reactor destinado a la experimentaci¨®n que se estaba construyendo en una instituci¨®n educativa. All¨ª, Shull realiz¨® un buen n¨²mero de experimentos fundamentales sobre ¨®ptica de neutrones, desarrollando el interfer¨®metro de dos cristales. Defensor a ultranza de la pr¨¢ctica experimental ("una buena pregunta puede ser contestada por un buen experimento"), Shull ha sorprendido muchas veces por su extraordinaria habilidad para realizar un descubrimiento en un campo y aplicarlo a la soluci¨®n de problemas en otros campos diferentes.

El nombre de Bert Brockhouse est¨¢ ligado al espectr¨®metro de tres ejes. Generaciones de estudiantes de f¨ªsica del estado s¨®lido han contemplado las fotograf¨ªas de sus primeros aparatos en uno de los textos m¨¢s habituales. Brockhouse ha realizado su labor experimental en el laboratorio de Chalk River, en Canad¨¢, aunque desde 1962 estuvo formalmente asociado a la Universidad McMaster. En 1955 construy¨® un instrumento similar al de Wollan y Shull, pero dotado de un segundo cristal a fin de realizar un an¨¢lisis de la velocidad (y no s¨®lo de la direcci¨®n) de los neutrones que eran dispersados por la muestra. De esta manera se comenz¨® a conocer no s¨®lo la estructura est¨¢tica de la materia, sino tambi¨¦n la din¨¢mica microsc¨®pica (los movimientos de los ¨¢tomos y mol¨¦culas que la componen).

Brockhouse y sus colaboradores fueron pioneros en la aplicaci¨®n de las t¨¦cnicas de dispersi¨®n inel¨¢stica (con intercambio de energ¨ªa entre neutr¨®n y muestra) de neutrones. Tambi¨¦n lo fueron en el dise?o de espectr¨®metros de tiempo de vuelo (en los que la velocidad de los neutrones se determina midiendo el tiempo que ¨¦stos tardan en recorrer distancias conocidas).

Creador de toda una escuela, comparte con Shull el gusto por la excelencia experimental.

Procesos microsc¨®picos

El campo de investigaci¨®n en el que Shull y Brockhouse fueron pioneros ha sobrepasado los l¨ªmites de la f¨ªsica nuclear y de la f¨ªsica del estado s¨®lido. Las t¨¦cnicas de dispersi¨®n de neutrones permiten obtener una imagen de los procesos microsc¨®picos en las formas de la materia que contemplamos y utilizamos cotidianamente: materiales met¨¢licos y aislantes, pol¨ªmeros, l¨ªquidos, disoluciones y posiblemente cualquier nuevo material con propiedades inesperadas o inexplicadas (como las cer¨¢micas superconductoras a altas temperaturas).

En Espa?a hay una treintena de grupos que utilizan las t¨¦cnicas de dispersi¨®n de neutrones para sus investigaciones en campos muy dispares. Espa?a participa oficialmente en el instituto Laue-Langevin, en Grenoble (Francia), una instalaci¨®n que cuenta con un reactor de alto flujo y muy variada instrumentaci¨®n ¨²nica en el mundo.

Los grupos espa?oles no s¨®lo utilizan para sus experimentos el reactor de Grenoble, sino que logran tener acceso a los reactores y fuentes pulsadas de otros pa¨ªses europeos y de EE UU. Se suple parcialmente, por tanto, la carencia de fuentes experimentales de neutrones en nuestro pa¨ªs, aunque la comunidad nacional est¨¢ muy sensibilizada, ya que el desarrollo de instrumentaci¨®n propia est¨¢ seriamente impedido. Esta ¨²ltima circunstancia es parad¨®jica en tiempos en los que el centro de gravedad de las t¨¦cnicas de dispersi¨®n de neutrones se ha trasladado desde Am¨¦rica a Europa.

Federico Mompe¨¢n Mar Garc¨ªa y Javier Bermejo son investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas, Madrid