Interaccions entre partícules carregades i sòlides

1999/09/01 Pitarke, Jose M. - CIC nanoGUNEko zuzendaria eta Euskal Herriko Unibertsitateko Materia Kondentsatuaren Fisikako katedraduna Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Al llarg dels anys un dels objectius de la Física ha estat analitzar el comportament individual i col·lectiu de les partícules que constitueixen l'estructura i matèria de la matèria. Una de les fonts d'informació més importants sobre les propietats de la matèria ha estat la d'interaccionar amb partícules carregades mòbils de diferent mena de matèria, i la necessitat de poder interpretar aquest tipus d'assajos ha fet imprescindible analitzar les interaccions entre la matèria i les partícules carregades que interaccionen amb ella, ja que aquest tipus de recerques, tant teòriques com experimentals, han jugat un paper important en el desenvolupament de la Física d'aquest segle, sota la direcció d'algunes de les més prestigioses i clares.

Així, Rutherford va emprar en 1911 partícules d'alpha per a conèixer l'estructura de l'àtom i Bohr va publicar en 1913 un treball pioner, calculant la força de frenat que sofreixen les partícules d'alpha en travessar la matèria. En la dècada vinent, tan aviat com es va desenvolupar la Mecànica Quàntica, ja s'havien iniciat els estudis mecànic-quàntics d'interacció entre la matèria i les partícules carregades.

La
realització de treballs teòrics de l'època ha donat lloc a la publicació de nombrosos treballs, a través d'estudis teòrics i experimentals de les interaccions entre la matèria i els ions. Així mateix, amb la finalitat de conèixer l'estructura de la matèria s'han utilitzat també els electrons, especialment en el cas del disseny del microscopi electrònic basat en la duplicitat de partícules d'ona de la matèria predicida per la Mecànica Quàntica, el microscopi d'emissió de camps i el microscopi de túnels.

Per a analitzar la interacció entre els electrons que formen la
matèria i les partícules externes carregades, al llarg dels anys s'han realitzat dues aproximacions principals. D'una banda, s'han utilitzat teories lineals, entenent que la pertorbació que produeix la partícula externa en el gas d'electrons que compon la matèria és petita. D'altra banda, s'ha utilitzat el model gel de sòlid, considerant un fons uniforme de càrrega positiva que elimina la càrrega mitjana negativa dels electrons del sòlid en lloc del potencial periòdic generat pels nuclis.

Utilitzant teories lineals, es va descobrir que l'energia que les partícules externes en moviment perden mitjançant l'excitació del gas d'electrons és proporcional a la segona volta de la càrrega de la partícula. No obstant això, Barques va demostrar experimentalment que en 1963 les energies perdudes pels pions positius i negatius en travessar la matèria són diferents, demostrant que la pèrdua d'energia no és, per tant, proporcional al quadrat de la càrrega del projectil. De fet, en 1989 es van mesurar les pèrdues energètiques dels antiprotones, que per primera vegada van poder donar compte experimental de la contribució de la pèrdua d'energia proporcional a la galleda de la càrrega del projectil mitjançant la comparació de les pèrdues energètiques de protons i antiprotones.

En
el nostre grup hem realitzat una anàlisi teòrica de l'origen d'aquesta contribució no lineal a partir de la teoria quàntica dels camps. Lindhard va publicar en 1954 la funció dielèctrica mecànic-quàntica que informa de les excitacions dels electrons, utilitzant teories lineals, i nosaltres hem obtingut expressions que informen de la resposta dinàmica quadràtica dels electrons, realitzant desenvolupaments de pertorbacions de gran ordre. Hem demostrat que la diferència entre les pèrdues d'energia dels protons i els antiprotones radica en la resposta quadràtica del gas d'electrons, obtenint resultats que s'ajusten al que es preveu en els experiments. Així mateix, aprofitant l'anàlisi de la resposta quadràtica del gas electró, hem pogut investigar les no linealitats d'alguns fenòmens físics observables com a conseqüència de la interacció entre partícules carregades i sòlides, sent algunes d'elles: El deixant de la densitat d'electrons induïda que generen les partícules carregades en el si del gas electró en travessar la matèria, l'excitació dels buits d'electrons i dels dobles plasmones, i el potencial d'imatge que sofreixen les partícules carregades que es desplacen per la superfície dels sòlids, entre altres.

D'altra banda
, en els últims anys s'han estudiat experimentalment alguns fenòmens físics inexplicables dins del model gel de sòlid, com són les pèrdues energètiques dels ions ràpids canalitzats en sòlids i els temps de vida dels electrons excitats en els sòlids. En el nostre grup estem analitzant els resultats d'aquesta mena d'experiments, interioritzant amb detall l'estructura de les bandes electròniques generades pel potencial periòdic dels nuclis. Per a això utilitzem tècniques batejades com 'ab initio', basades en la teoria funcional de la densitat dependent del temps.