El movimiento lento de los electrones: ¿Cómo reaccionan los distintos materiales al impacto de los iones?
Viaje en femtosegundo a través del grafeno
Cuando los iones penetran en un material, se producen procesos muy complejos, tan rápidos que hasta ahora apenas podían analizarse. Pero sofisticadas mediciones lo han hecho posible.
Al penetrar a través de una fina capa de material, los iones altamente cargados emiten muchos electrones que se ven influidos por la distribución de los electrones restantes en el material.
TU Wien
¿Cómo reaccionan los distintos materiales al impacto de los iones? Se trata de una cuestión que desempeña un papel importante en muchos ámbitos de investigación: por ejemplo, en la investigación de la fusión nuclear, cuando las paredes del reactor de fusión son bombardeadas por iones de alta energía, pero también en la tecnología de semiconductores, cuando éstos son bombardeados con haces de iones para producir estructuras diminutas.
El resultado de un impacto iónico sobre un material es fácil de estudiar a posteriori. Sin embargo, es difícil comprender la secuencia temporal de estos procesos. Un grupo de investigación de la Universidad Técnica de Viena ha conseguido ahora analizar en una escala temporal de un femtosegundo lo que ocurre con las partículas individuales implicadas cuando un ion penetra en materiales como el grafeno o el disulfuro de molibdeno. Para ello, ha sido crucial el análisis minucioso de los electrones que se emiten en el proceso: Con ellos se puede reconstruir la secuencia temporal de los procesos; en cierto modo, la medición se convierte en una "cámara lenta de electrones". Los resultados se han publicado ahora en "Physical Review Letters" e incluso han sido seleccionados como "Sugerencia de los Editores".
Partículas cargadas de veinte a cuarenta veces
El grupo de investigación del profesor Richard Wilhelm en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena trabaja con iones altamente cargados. Los átomos de xenón, que tienen 54 electrones en estado neutro, son despojados de 20 a 40 electrones, y los iones de xenón fuertemente cargados positivamente que quedan se dirigen a una fina capa de material.
"Nos interesa especialmente la interacción de estos iones con el material grafeno, que consiste en una sola capa de átomos de carbono", explica Anna Niggas, primera autora del presente trabajo. "Esto se debe a que ya sabíamos por experimentos anteriores que el grafeno tiene propiedades muy interesantes. El transporte de electrones en el grafeno es extremadamente rápido".
Las partículas reaccionan tan rápido que no es posible observar los procesos directamente. Pero hay trucos especiales que se pueden utilizar: "Durante estos procesos, se suele liberar también un gran número de electrones", explica Anna Niggas. "Pudimos medir el número y la energía de estos electrones con mucha precisión, comparar los resultados con los cálculos teóricos aportados por nuestros coautores de la Universidad de Kiel, y esto nos permitió desentrañar lo que ocurre a escala de femtosegundos".
Viaje de femtosegundos a través del grafeno
En primer lugar, el ion altamente cargado se acerca a la fina capa de material. Debido a su carga positiva, genera un campo eléctrico y, por tanto, influye en los electrones del material: ya antes del impacto, los electrones del material se mueven en la dirección del lugar de impacto. En algún momento, el campo eléctrico se vuelve tan fuerte que los electrones son arrancados del material y capturados por el ion altamente cargado. Inmediatamente después, el ion golpea la superficie y penetra en el material. Esto da lugar a una compleja interacción; el ion transfiere mucha energía al material en poco tiempo y se emiten electrones.
Si faltan electrones en el material, queda carga positiva. Sin embargo, esto se compensa rápidamente con los electrones que se desplazan desde otras zonas del material. En el grafeno, este proceso es extremadamente rápido; se forman fuertes corrientes dentro del material a escala atómica durante un corto periodo de tiempo. En el disulfuro de molibdeno, este proceso es algo más lento. En ambos casos, sin embargo, la distribución de electrones en el material influye a su vez en los electrones que ya han sido liberados del material - y por esta razón, si se detectan cuidadosamente, estos electrones emitidos proporcionan información sobre la estructura temporal del impacto. Sólo los electrones rápidos pueden salir del material, los más lentos dan la vuelta, son recapturados y no acaban en el detector de electrones.
El ion sólo necesita alrededor de un femtosegundo para penetrar en una capa de grafeno. Los procesos en escalas de tiempo tan cortas podían medirse anteriormente con pulsos láser ultracortos, pero en este caso depositarían mucha energía en el material y cambiarían por completo el proceso. "Con nuestro método, hemos encontrado un enfoque que permite obtener nuevos conocimientos fundamentales", afirma Richard Wilhelm, director de un proyecto FWF START en la Universidad de Viena. "Los resultados nos ayudan a entender cómo reacciona la materia ante una exposición a la radiación muy corta y muy intensa, no sólo a los iones, sino también a los electrones o a la luz".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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