Imaginemos un lugar donde la materia se somete a presiones lo suficientemente extremas como para que los átomos necesiten reorganizarse, donde los electrones necesitan cambiar su comportamiento, y donde es posible observar propiedades completamente nuevas.
Podemos imaginar esos lugares en el fondo de los océanos, en las capas más internas de la tierra, e incluso en los astros que quedan a cientos, miles o millones de días de viaje de nuestro hábitat. Esos lugares no tienen por qué ser inaccesibles a nuestro entorno, los podemos recrear en un laboratorio.
La presión: el sintonizador de la materia
La presión —fuerza ejercida por unidad de superficie— nos habilita para producir todas estas transformaciones. Al comprimir los materiales de forma extraordinaria, los compuestos se transforman en otros que no pueden ser observados en condiciones normales. Los enlaces químicos —pequeñas cuerdas elásticas que unen los diferentes átomos y logran así estabilidad— pueden acortarse dando lugar a nuevas estructuras, modificando las propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas. De esta forma, la presión puede convertirse en una forma de sintonización —como una perilla de volumen — para observar una nueva realidad física.
El control que ejercemos sobre la materia con estas técnicas nos permite sacar una gran cantidad de conclusiones. Por ejemplo, si en un experimento observamos que se pueden generar diamantes a partir de un material rico en carbono bajo unas condiciones específicas. ¿En un planeta con esas mismas condiciones podría producirse una verdadera lluvia de diamantes? Con ello, podemos estudiar procesos que van desde el comportamiento de lo más pequeño, el mundo cuántico, hasta los procesos que ocurren en el interior de los astros de nuestro universo.
Estos hallazgos abren la puerta a generar nuevos materiales que nos ayuden en la vida cotidiana, que permitan que los trenes leviten con una gran eficiencia, o incluso encontrar formas de conservar alimentos sin perder sus propiedades organolépticas. Sin duda, la ciencia de las altas presiones se ha convertido en las últimas décadas en una herramienta única para comprender como funciona la materia, desde lo más pequeño (microscópico) hasta lo más grande (macroscópico).
¿Cuál es la magnitud de las presiones de las que hablamos? Tomemos como referencia la presión atmosférica (1atm), que es el peso del aire sobre nosotros al nivel del mar. Si una persona de unos 80kg pisa con la punta de su pie en el suelo, la presión aproximada sería de unas 8 atm. En la fosa de las marianas, a unos 11 km de profundidad, el peso del océano genera una presión 1000 atm. En el límite promedio entre el manto superior y la corteza terrestre, a unos 100 km de profundidad, hablaríamos de unas 30.000 atm —en el mundo de las altas presiones utilizamos una unidad más cómoda, el gigapascal GPa— esos 100km equivalen a una presión de 3 GPa. Mientras que en el núcleo terrestre, sometido literalmente al peso de todo el mundo, 3.000.000 atm o 300 GPa.
Diamantes para observar lo desconocido
Pero, ¿cómo podemos observar todo ello en un laboratorio? ¿cómo se puede deducir a partir de estas observaciones, por ejemplo, el comportamiento de las moléculas, átomos y electrones bajo presiones extremas?
Para poder responder a estas preguntas, el grupo de investigación de Altas Presiones y Espectroscopía de la Universidad de Cantabria combina la técnica que Van Valkemburg utilizó por primera vez en 1958 con el uso de la luz. Esta capacidad reside en las celdas de yunque de diamante (DAC de sus siglas en inglés), unos dispositivos que, a pesar de su pequeño tamaño —se pueden sujetar con la palma de una mano— permiten generar presiones equivalentes a las del interior de la Tierra. El secreto reside en dos pequeños diamantes contrapuestos, con las puntas truncadas y enfrentadas entre sí. Al acercar los diamantes mediante este dispositivo, con una fuerza relativamente modesta, somos capaces de concentrarla en la pequeña superficie de las puntas, generando presiones enormes sobre la muestra bajo estudio. Al contrario que si apretásemos con una prensa convencional —por muy fuerte y resistente que esta fuera— los diamantes, por su transparencia, nos abren una ventana donde observar directamente lo que acontece.
Estos pequeños dispositivos se componen de un número reducido de piezas.
- Los yunques: Gemas truncadas que tendrán diferentes propiedades y formas en función del experimento a realizar. Gracias a su dureza extrema somos capaces de generar estas grandes presiones.
- Junta metálica o gasket: Normalmente de acero o metales ultrarresistentes como el renio. Si los diamantes son los músculos, el gasket contendrá el corazón del experimento. En su centro se realiza un diminuto orificio que contendrá la muestra bajo estudio. Se encarga también de actuar como colchón entre los diamantes, evitando así que entren en contacto provocando su fractura.
- El medio transmisor: Si se aplicase presión directamente sobre la muestra, esta no sería la misma en todas las direcciones. Por ello, el hueco del gasket se rellena con sustancias como parafina, alcoholes o incluso gases a alta presión para asegurar que la presión sea la misma en todas las direcciones, o más concretamente hidrostática.
- El sensor de presión: ¿Cómo podemos saber cuál es la presión en el interior de la cavidad con el simple hecho de mirar? Utilizamos chivatos ópticos. Por ejemplo, microesferas de rubí, cuya emisión se desplaza al infrarrojo de forma predecible a medida que aumentamos la presión.
Además de aplicar presión, para explorar la estructura del material en esas condiciones extremas utilizamos la luz como sonda. La espectroscopía estudia los efectos derivados de la interacción de la luz con la materia, así, observando que tipo de luz absorbe la muestra, o como la radiación es emitida o dispersada, podemos interrogarla. Este interrogatorio nos informa sobre cómo se reorganizan los electrones, como se fortalecen los enlaces químicos, e incluso como diferentes iones vecinos comienzan a “hablarse” entre si gracias a interacciones magnéticas.
La metamorfosis cuántica del cromo
En última instancia, lo que ocurre dentro de nuestras celdas de yunque de diamante, no es solo un espectáculo de luz. Dentro de las decenas de materiales estudiados en nuestro grupo, vamos a centrarnos en el compuesto LiCaAlF6 dopado con Cr3+, el cual cuando apretamos lo suficiente, comienza a producir una metamorfosis luminiscente. El producto de esta transición, a 28 GPa, es el paso de una emisión de luz ancha y difusa, a una fina e intensa como la del rubí (este último utilizado para el archiconocido efecto láser, observado por primera vez por Miman en 1968 utilizando este material). ¿Qué ocurre dentro del material para que esta emisión de luz cambie de forma tan radical?
Imaginemos que los estados cuánticos del Cr3+ son como los pisos de un edificio. El material por defecto se encuentra en el “portal” o estado fundamental, que corresponde al de más baja energía. Cuando el sistema absorbe luz, pasa a un estado de mayor energía, alguno de los “pisos” superiores o estados excitados. Lo sorprendente de este proceso es que no puedes quedarte a vivir en las escaleras entre medias, o estas en un piso o en otro.
Para entender estos comportamientos utilizamos los llamados diagramas de Tanabe-Sugano, los cuales nos dicen la altura de esos pisos (su energía) en función del campo cristalino (en nuestro caso la fuerza que siente el cromo entre los átomos que lo rodean). Al aumentar la presión las distancias entre los átomos se acortan y por lo tanto el campo cristalino aumenta, haciendo que la altura de estos edificios varíe.
Sabiendo esto podemos entender las diferentes circunstancias que ocurren en este material. Por una parte, destacar que cuando aumentamos la presión se produce un “cruce de pisos” alrededor de 13 GPa, uno de los que estaba encima pasa a estar debajo, lo que denominamos crossover. Antes de aplicar presión los electrones saltaban del “piso” 4T2 al 4A2 emitiendo luz. Cuando apretamos lo suficiente, el piso 2E pasa a estar por debajo, haciendo que los electrones salten desde ahí, emitiendo además luz más intensa y muy fina.
¿Y el interés? Mientras las bandas anchas dispersan su energía, lo que las hace poco eficientes, por su parte, las líneas finas que logramos con la presión llevan a cada fotón de luz a una longitud de onda precisa. Permitiendo por ejemplo producir dispositivos de iluminación eficientes o láseres sintonizables de precisión.
Cómo hemos visto con el compuesto LiCaAlF6: Cr3+, las altas presiones nos habilitan para malear la realidad de nuestro entorno y entender procesos fundamentales que abarcan desde los saltos de electrones del cromo, hasta la reestructuración de un “edificio cuántico” entero. Aplicar presión no solo es comprimir los materiales, nos permite rediseñarlos completamente. Una vez soltamos los tornillos de nuestra celda, nos damos cuenta de que lo extraordinario no se encuentra en la resistencia del diamante sino en nuestra capacidad para entender los fenómenos físicos que se esconden tras el próximo gigapascal.
