Interaccións entre partículas cargadas e sólidas

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

• Fisika

Ao longo dos anos uno dos obxectivos da Física foi analizar o comportamento individual e colectivo das partículas que constitúen a estrutura e materia da materia. Una das fontes de información máis importantes sobre as propiedades da materia foi a de interaccionar con partículas cargadas móbiles de distinto tipo de materia, e a necesidade de poder interpretar este tipo de ensaios fixo imprescindible analizar as interaccións entre a materia e as partículas cargadas que interaccionan con ela, xa que este tipo de investigacións, tanto teóricas como experimentais, xogaron un papel importante no desenvolvemento da Física deste século, baixo a dirección dalgunhas das máis prestixiosas e claras.

Así, Rutherford empregou en 1911 partículas de alpha paira coñecer a estrutura do átomo e Bohr publicou en 1913 un traballo pioneiro, calculando a forza de freado que sofren as partículas de alpha ao atravesar a materia. Na próxima década, axiña que como se desenvolveu a Mecánica Cuántica, xa se iniciaron os estudos mecánico-cuánticos de interacción entre a materia e as partículas cargadas.

A
realización de traballos teóricos da época deu lugar á publicación de numerosos traballos, a través de estudos teóricos e experimentais das interaccións entre a materia e os iones. Así mesmo, co fin de coñecer a estrutura da materia utilizáronse tamén os electróns, especialmente no caso do deseño do microscopio electrónico baseado na duplicidade de partículas de onda da materia predicida pola Mecánica Cuántica, o microscopio de emisión de campos e o microscopio de túneles.

Paira analizar a interacción entre os electróns que forman a
materia e as partículas externas cargadas, ao longo dos anos realizáronse dúas aproximacións principais. Por unha banda, utilizáronse teorías lineais, entendendo que a perturbación que produce a partícula externa no gas de electróns que compón a materia é pequena. Doutra banda, utilizouse o modelo xel de sólido, considerando un fondo uniforme de carga positiva que elimina a carga media negativa dos electróns do sólido en lugar do potencial periódico xerado polos núcleos.

Utilizando teorías lineais, descubriuse que a enerxía que as partículas externas en movemento perden mediante a excitación do gas de electróns é proporcional á segunda volta da carga da partícula. Con todo, Barcas demostrou experimentalmente que en 1963 as enerxías perdidas polos piones positivos e negativos ao atravesar a materia son diferentes, demostrando que a perda de enerxía non é, por tanto, proporcional ao cadrado da carga do proxectil. De feito, en 1989 medíronse as perdas enerxéticas dos antiprotones, que por primeira vez puideron dar conta experimental da contribución da perda de enerxía proporcional ao cubo da carga do proxectil mediante a comparación das perdas enerxéticas de protones e antiprotones.

No
noso grupo realizamos unha análise teórica da orixe desta contribución non lineal a partir da teoría cuántica dos campos. Lindhard publicou en 1954 a función dieléctrica mecánico-cuántica que informa as excitacións dos electróns, utilizando teorías lineais, e nós obtivemos expresións que informan da resposta dinámica cuadrática dos electróns, realizando desenvolvementos de perturbacións de gran orde. Demostramos que a diferenza entre as perdas de enerxía dos protones e os antiprotones radica na resposta cuadrática do gas de electróns, obtendo resultados que se axustan ao previsto nos experimentos. Así mesmo, aproveitando a análise da resposta cuadrática do gas electrón, puidemos investigar as non linealidades dalgúns fenómenos físicos observables como consecuencia da interacción entre partículas cargadas e sólidas, sendo algunhas delas: O ronsel da densidade de electróns inducida que xeran as partículas cargadas no seo do gas electrón ao atravesar a materia, a excitación dos ocos de electróns e dos dobres plasmones, e o potencial de imaxe que sofren as partículas cargadas que se desprazan pola superficie dos sólidos, entre outros.

Por outra banda
, nos últimos anos estudáronse experimentalmente algúns fenómenos físicos inexplicables dentro do modelo xel de sólido, como son as perdas enerxéticas dos iones rápidos canalizados en sólidos e os tempos de vida dos electróns excitados nos sólidos. No noso grupo estamos a analizar os resultados deste tipo de experimentos, interiorizando con detalle a estrutura das bandas electrónicas xeradas polo potencial periódico dos núcleos. Paira iso utilizamos técnicas bautizadas como 'ab initio', baseadas na teoría funcional da densidade dependente do tempo.