Neutrones para escudriñar la materia

El estadounidense Clifford Shull y el canadiense Bertram Brockhouse han sido galardonados con el Premio Nobel de Física de este año por sus contribuciones a la técnica experimental de dispersión de neutrones. Ambos científicos fueron pioneros, en las décadas de los cuarenta y cincuenta, en la construcción de aparatos que permitieron la utilización de los haces de neutrones producidos en reactores de fisión nuclear para el estudio de las propiedades estructurales y magnéticas de la materia. Las técnicas que Shull y Brockhouse desarrollaron han evolucionado y permiten hoy día el estudio de la estructura y dinámica microscópica y mesoscópica de un gran abanico de sustancias de interés para físicos, químicos, biólogos, geólogos e ingenieros de materiales.Shull y su fallecido colega Ernest O. Wollan construyeron en 1948, en el laboratorio de Oak Ridge (EE UU), un difractómetro de cristal que permitía la selección de neutrones de una determinada velocidad de entre los que emergían de un reactor de fisión al hacerlos incidir sobre un cristal de sal común. El haz de neutrones (partículas subatómicas exentas de carga eléctrica, pero dotadas de spin) así seleccionado se hacía incidir sobre una sustancia cristalina finamente dividida, donde experimentaba un segundo proceso de difracción (desviación en la dirección de movimiento de acuerdo con las diferentes velocidades de los neutrones) revelando las posiciones de los núcleos de los átomos que la integran.

Precisamente en la interacción directa de los neutrones con los núcleos, en contraposición a la interacción sufrida por los rayos X con los electrones de los átomos, reside la potencia de las técnicas de dispersión de neutrones. La relativa simplicidad del difractómetro de neutrones de Wollan y Shull (semejante al propuesto por Marshall y Fermi) permitió su pronta adopción por muchos otros laboratorios.

Distinguir isótopos

Shull y sus colaboradores demostraron tempranamente la capacidad única del neutrón para distinguir entre elementos muy cercanos del sistema periódico e incluso entre los isótopos de un mismo elemento y, la capacidad para desvelar los detalles de la estructura magnética.

En 1956, Shull fue contratado por el Instituto Tecnológico de Massachussets (EE UU) para dirigir el programa científico en el primer reactor destinado a la experimentación que se estaba construyendo en una institución educativa. Allí, Shull realizó un buen número de experimentos fundamentales sobre óptica de neutrones, desarrollando el interferómetro de dos cristales. Defensor a ultranza de la práctica 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 solución de problemas en otros campos diferentes.

El nombre de Bert Brockhouse está ligado al espectrómetro de tres ejes. Generaciones de estudiantes de física del estado sólido han contemplado las fotografías de sus primeros aparatos en uno de los textos más habituales. Brockhouse ha realizado su labor experimental en el laboratorio de Chalk River, en Canadá, aunque desde 1962 estuvo formalmente asociado a la Universidad McMaster. En 1955 construyó un instrumento similar al de Wollan y Shull, pero dotado de un segundo cristal a fin de realizar un análisis de la velocidad (y no sólo de la dirección) de los neutrones que eran dispersados por la muestra. De esta manera se comenzó a conocer no sólo la estructura estática de la materia, sino también la dinámica microscópica (los movimientos de los átomos y moléculas que la componen).

Brockhouse y sus colaboradores fueron pioneros en la aplicación de las técnicas de dispersión inelástica (con intercambio de energía entre neutrón y muestra) de neutrones. También lo fueron en el diseño de espectrómetros de tiempo de vuelo (en los que la velocidad de los neutrones se determina midiendo el tiempo que éstos tardan en recorrer distancias conocidas).

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

Procesos microscópicos

El campo de investigación en el que Shull y Brockhouse fueron pioneros ha sobrepasado los límites de la física nuclear y de la física del estado sólido. Las técnicas de dispersión de neutrones permiten obtener una imagen de los procesos microscópicos en las formas de la materia que contemplamos y utilizamos cotidianamente: materiales metálicos y aislantes, polímeros, líquidos, disoluciones y posiblemente cualquier nuevo material con propiedades inesperadas o inexplicadas (como las cerámicas superconductoras a altas temperaturas).

En España hay una treintena de grupos que utilizan las técnicas de dispersión de neutrones para sus investigaciones en campos muy dispares. España participa oficialmente en el instituto Laue-Langevin, en Grenoble (Francia), una instalación que cuenta con un reactor de alto flujo y muy variada instrumentación única en el mundo.

Los grupos españoles no sólo utilizan para sus experimentos el reactor de Grenoble, sino que logran tener acceso a los reactores y fuentes pulsadas de otros países europeos y de EE UU. Se suple parcialmente, por tanto, la carencia de fuentes experimentales de neutrones en nuestro país, aunque la comunidad nacional está muy sensibilizada, ya que el desarrollo de instrumentación propia está seriamente impedido. Esta última circunstancia es paradójica en tiempos en los que el centro de gravedad de las técnicas de dispersión de neutrones se ha trasladado desde América a Europa.

Federico Mompeán Mar García y Javier Bermejo son investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid