El control de la energía de ionización de los átomos promete avances en la síntesis química
La energía de ionización es uno de los parámetros fisicoquímicos más importantes. Se define en términos de la cantidad de energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo. La dependencia de la energía de ionización del número atómico determina la ley periódica de los elementos químicos, que se supone fundamentalmente constante. Basándose en el efecto previamente predicho de cambiar la masa de los electrones, el equipo de investigación demostró que la energía de ionización de los átomos colocados en cristales fotónicos con un índice de refracción ultra alto puede modificarse significativamente.
Relaciones de dispersión para los modos TM Bloch en un PC unidimensional para diferentes valores del índice de refracción (a) nh = 2, (b) nh = 3, (c) nh = 5, (d) nh = 7. El número de bandas n en las relaciones de dispersión aumenta linealmente con el índice de refracción del material PC huésped.
Kazan Federal University
Los cristales fotónicos son medios con propiedades electromagnéticas que cambian periódicamente. Un ejemplo de cristal fotónico es un empaquetamiento denso de microesferas dieléctricas, entre las que hay un espacio vacío. El tamaño de estos vacíos es lo suficientemente grande como para considerar que un electrón o un átomo colocado allí está libre de interacción con el material de las paredes. Sin embargo, el entorno de los cristales fotónicos afecta indirectamente a las propiedades de las partículas al modificar su propio campo de radiación.
El hecho es que, según la imagen moderna del mundo, todas las partículas participan en las fluctuaciones cuánticas del vacío. En particular, un electrón crea constantemente y destruye inmediatamente fotones virtuales. Resulta que los cristales fotónicos son capaces de influir en esta interacción. Tradicionalmente, esta cuestión se ha estudiado sólo para los electrones ligados a un átomo. Un átomo que participa en un proceso de este tipo adquiere una corrección de su energía que se denomina desplazamiento Lamb y que es muy pequeña en relación con las propias energías atómicas, incluso si el átomo está colocado en cristales fotónicos.
La razón por la que nadie ha considerado las fluctuaciones cuánticas de un electrón libre en un cristal fotónico es que su masa en este estado es igual al infinito. El hecho es que debido a la interacción con el vacío, la masa de un electrón libre debe adquirir una corrección, que se denomina masa electromagnética. Esta corrección se añade a la masa "desnuda" del electrón y forma su masa observada de hecho.
Sin embargo, los cálculos realizados en la primera mitad del siglo XX mostraron que las integrales de las fórmulas de la masa electromagnética divergen. Para evitar este problema, los físicos idearon un procedimiento de renormalización de la masa, que consistía en ignorar la masa electromagnética y sustituir en todas las demás fórmulas la masa "desnuda" de la partícula por la masa observada. Esto abrió el camino a la electrodinámica cuántica, cuyas predicciones en condiciones ordinarias se confirman en los experimentos con gran precisión.
Sin embargo, si los cristales fotónicos afectan a la interacción con el vacío, esto debería reflejarse en la masa electromagnética y, como consecuencia, en la masa del electrón realmente observada. Los investigadores demostraron que en este caso surge una corrección final, que es igual a la diferencia entre las masas electromagnéticas de un electrón en un cristal fotónico y en el vacío. Además, debido a la anisotropía del cristal fotónico, la masa depende de la dirección en la que vuela el electrón. Esto lleva a que un electrón ligado a un átomo tenga nuevas correcciones de energía, que dependen de su estado. Resultó que para índices de refracción muy altos de la sustancia de la que está hecho el cristal fotónico, estas correcciones llegan a ser comparables a las energías de las transiciones entre niveles, incluyendo las energías de las transiciones de ionización.
En este trabajo, calcularon las correcciones de la energía de ionización de los átomos de hidrógeno y álcali colocados en los huecos de un cristal fotónico unidimensional hecho de materiales con un índice de refracción ultra alto. Resultó que la disminución de la energía de ionización puede alcanzar el 68% en el caso del átomo de cesio.
El efecto predicho es de gran importancia tanto para la física y la química fundamental como para la aplicada. En particular, se ha propuesto por primera vez un método para manipular la masa electromagnética. Además, el efecto permitirá influir en la ley periódica de los elementos químicos, y el propio cambio en la energía de ionización puede utilizarse para sintetizar nuevos compuestos químicos y crear fármacos basados en ellos.
En el futuro, el equipo planea cooperar con grandes centros farmacéuticos y estudiar la posibilidad de su uso para la síntesis de nuevos compuestos. La comprobación experimental del efecto puede hacerse midiendo la velocidad de una reacción química que se produce en fase gaseosa entre las paredes de un cristal fotónico unidimensional. Además, quieren calcular la corrección de la energía de ionización para otros elementos químicos.
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