Interacciones de partículas ocultas expuestas por la capa exfoliada de grafeno

Para comprender verdaderamente la esencia de algo, páselo con un proyectil. De todos modos, ha sido durante mucho tiempo el enfoque preferido de algunos físicos. Estos científicos estudian rutinariamente las propiedades sutiles de los sólidos colisionando partículas cargadas con ellos y observando lo que rebotan, se atascan o atraviesan y emergen. Sin embargo, los detalles de lo que sucede con tales partículas mientras están en algún material siguen siendo difíciles de alcanzar. Recientemente, un físico de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) y sus colegas revelaron algunos de esos detalles al disparar partículas cargadas llamadas iones en un sólido , se despegaba una capa de átomos a la vez como un plátano. Su trabajo es Física de la comunicación En agosto, algunas técnicas para analizar y fabricar materiales pueden hacerse más precisas y precisas.

Los esfuerzos modernos para estudiar la materia utilizando interacciones de partículas cargadas se remontan al trabajo del físico Niels Bohr en la década de 1940. Bohr estudió cómo cambia la carga de un ion a medida que atraviesa un sólido. Por ejemplo, los iones con carga positiva pueden reducir su carga al robar electrones con carga negativa de los átomos en un sólido. Bohr dijo que después de hacer un túnel en un objetivo, los físicos podrían capturar y examinar tales iones y usar esa teoría para inferir las estructuras electrónicas que los iones encontraron durante su movimiento. Desde entonces, los iones se han convertido en una herramienta importante para investigar la estructura y composición de los materiales. Esta es una actividad llamada análisis de materiales, pero los físicos no han podido investigar experimentalmente la velocidad a la que los electrones saltan a los iones y qué tan cerca deben estar. Un átomo sólido para que ocurra tal salto. El nuevo estudio agrega más detalles al estudio de Bohr al observar primero exactamente cómo ocurren estos saltos de manera experimental y precisa.

Queríamos entender qué sucede cuando los iones golpean el material, dijo Anna Niggas, física de TU Wien y autora principal del estudio. Estos procesos pueden involucrar tantas interacciones claras con los electrones que es casi imposible rastrear todas sus permutaciones. Para empeorar las cosas, ocurren muy rápidamente. Es demasiado rápido para obtener imágenes o grabar directamente, explica Daniel Primetzhofer, físico de la Universidad de Uppsala en Suecia que no participó en el experimento. Afirma que los iones entrantes interactúan con los electrones materiales durante una milmillonésima de segundo, pero la tecnología actual permite a los físicos examinar los iones solo después de un microsegundo. Esto es mil millones de veces más largo. Es como si un físico estuviera tratando de inferir los detalles de una breve conversación entre un conductor de autobús (ion) y una gran cantidad de pasajeros (muchos electrones interactuando con el ion) al observar la expresión facial del conductor al final del viaje. Parece ser. En esta analogía, Niggas y sus colaboradores tuvieron que descomponer los “buses” (es decir, los sólidos) uno por uno para analizar la “conversación” entre el ion y los electrones circundantes. ..

Comenzaron eliminando electrones de los átomos de xenón y convirtiéndolos en iones muy cargados. Luego, los investigadores dispararon iones a través de una pila de carbono del tamaño de un átomo, donde interactuaron y capturaron electrones. Al quitar gradualmente la capa de carbono de la pila, el equipo pudo ver cómo se comportan los iones al pasar a través de una, dos o tres capas en total. Cuando los iones pasaron a través de una sola capa de átomos de carbono llamada grafeno, su movimiento se asemejó a una colisión con la superficie de un sólido tridimensional. En el caso de dos hojas de grafeno apiladas, era como si los iones pasaran a través de un sólido muy delgado. Con cada capa de grafeno que agregaron, los investigadores pudieron determinar qué pasaría con los iones en diferentes posiciones en un sólido normal. Cada capa de átomo de carbono es como una fila de asientos de autobús figurativos. Si la cara del conductor cambia después de que solo se agrega una columna, los científicos saben que aquí es donde ocurren las interacciones más importantes. Primetzhofer afirma que señalar exactamente dónde interactúan los iones con la mayoría de los electrones en el sólido de carbono es una gran ventaja del nuevo enfoque. “¿Cuáles son los puntos específicos de interacción? [that] Es muy difícil de evaluar en todos los experimentos con haces de iones ”, dice. “Puede ser el Santo Grial del estudio de la interacción entre iones y materia”.

El equipo vienés fue pionero en esta tecnología y decidió usarla para suministrar suficientes electrones para que una sola capa de grafeno neutralice los iones entrantes. “La primera vez [ion] Los experimentos con grafeno se hicieron hace muchos años, y nadie hubiera esperado poder capturar tantos electrones a través de una sola capa de material ”, dijo Niggas. Fijado. Esto sugiere que se puede usar una capa de grafeno para proteger los semiconductores de dispositivos electrónicos delicados de iones altamente cargados. También afirma que la investigación de su equipo revela una relación sorprendentemente simple en la velocidad a la que los iones deben moverse para recoger un cierto número de electrones de un cierto número de capas de grafeno. precisión. Sin embargo, los investigadores esperaban algunas sorpresas. Saben cuánto les falta en el modelo teórico del viaje de Aeon.

“Realmente no existe una teoría completa que pueda explicar la interacción de todos los iones y la materia y predecir los resultados con mucha precisión”, dijo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, un instituto de investigación alemán que no participó en el estudio. Dijo la física Svenja Lohmann. Sobre los tipos de iones estudiados por Niggas y sus colegas. En sus experimentos, los iones capturaron docenas de electrones de los átomos de carbono del grafeno. Estos electrones interactuaron con los electrones que ya estaban en el ión y con todos los demás electrones del grafeno. Por lo tanto, un modelo matemático que pueda predecir la velocidad y la proximidad de los electrones que saltan a un ion necesita rastrear todas estas interacciones al mismo tiempo. En un bajo figurativo, los físicos necesitan escuchar las disonancias de innumerables conversaciones superpuestas para determinar cuál es la más importante.

“Es muy difícil crear una teoría de la mecánica cuántica realmente buena de todos estos electrones que interactúan”, dijo Michael Bonitz, físico teórico de la Universidad de Kiel en Alemania, que no formó parte de un nuevo experimento. decir. Él cree que esas teorías se pueden mejorar gracias a la investigación.淭 su estudio no solo es experimentalmente interesante y está relacionado con la aplicación, sino que también puede inspirar teoría, dice.

Los modelos matemáticos y computacionales avanzados son importantes para mejorar el uso de iones en la fabricación y análisis de materiales. Por ejemplo, para fabricar dispositivos semiconductores, los ingenieros pueden cambiar la estructura electrónica de un material haciendo que los iones choquen con el material. El conocimiento detallado de estas interacciones puede conducir a una fabricación más precisa.

En el análisis de materiales, los científicos siguen las viejas ideas de Bohr. Después de que los iones interactúan con el material, nos gustaría utilizar las mediciones de las propiedades de los iones para revelar los detalles de la estructura electrónica del material. Los iones de alta carga actúan como lupa, dice Primetzhofer. Un modelo teórico más preciso significa un aumento mayor. Bonitz lleva esa idea un paso más allá. La pregunta es si podemos usar iones para estudiar sustancias desconocidas y sacar cosas que otras herramientas no pueden hacer, dice.

Como siguiente paso, los investigadores de TU Wien planean explorar nuevos sólidos artificiales de su propio diseño. Esta vez, me gustaría ver cómo los iones altamente cargados interactúan con dos sustancias en lugar de una, transmitiéndolas a través de una pila de grafeno en la capa intermedia con otra sustancia. .. material. Lo bueno es que esto no solo funciona con grafeno, dice Niggas.

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