Interacciones entre partículas cargadas y sólidas
CIC nanoGUNEko zuzendaria eta Euskal Herriko Unibertsitateko Materia Kondentsatuaren Fisikako katedraduna
Uno de los objetivos de la Física a lo largo de los años ha sido analizar el comportamiento individual y colectivo de las partículas que constituyen la estructura y materia de la materia. Una de las fuentes de información más importantes sobre las propiedades de la materia ha sido la de interaccionar con partículas cargadas móviles de diferente naturaleza, y la necesidad de poder interpretar este tipo de ensayos ha hecho imprescindible analizar las interacciones entre la materia y las partículas cargadas que interaccionan con ella, ya que este tipo de investigaciones, tanto teóricas como experimentales, han jugado un papel importante en el desarrollo de la Física de este siglo, bajo la dirección de algunas de las fisicarías más prestigiosas y claras.
Así, en 1911, Rutherford utilizó las partículas alpha para conocer la estructura del átomo y Bohr publicó en 1913 un trabajo pionero, calculando la fuerza de frenado que soportan las partículas alpha al atravesar la materia. En la próxima década, tan pronto como se desarrolló la Mecánica Cuántica, ya se habían iniciado los estudios mecánico-cuánticos de interacción entre la materia y las partículas cargadas.
La realización de trabajos teóricos de la época ha dado lugar a la publicación de numerosos trabajos, a través de estudios teóricos y experimentales de interacción entre materia e iones. Asimismo, con el fin de conocer la estructura de la materia se han utilizado también los electrones, especialmente en el caso del diseño del microscopio electrónico basado en la duplicidad de partículas de onda de la materia predicida por la Mecánica Cuántica, el microscopio de campo de emisión y el microscopio de túneles.
Para analizar la interacción entre los electrones que forman la materia y las partículas externas cargadas, a lo largo de los años se han realizado dos aproximaciones principales. Por un lado, se han utilizado teorías lineales, entendiendo que la perturbación que produce la partícula externa en el gas de electrones que compone la materia es pequeña. Por otro lado, se ha utilizado el modelo gel de sólido, considerando un fondo uniforme de carga positiva que elimina la carga media negativa de los electrones del sólido en lugar del potencial periódico generado por los núcleos.
Utilizando teorías lineales, se descubrió que la energía que las partículas externas en movimiento pierden excitando el gas de electrones es proporcional a la segunda vuelta de la carga de la partícula. Sin embargo, Barcas demostró experimentalmente que en 1963 las energías perdidas por los piones positivos y negativos al atravesar la materia son diferentes, demostrando que la pérdida de energía no es, por tanto, proporcional al cuadrado de la carga del proyectil. De hecho, en 1989 se midieron por primera vez las pérdidas energéticas de los antiprotones, que permitieron conocer experimentalmente la contribución de la pérdida de energía proporcional al cubo de la carga del proyectil mediante la comparación de las pérdidas energéticas de protones y antiprotones.
En nuestro grupo hemos realizado un análisis teórico del origen de esta contribución no lineal a partir de la teoría cuántica de campos. Lindhard publicó en 1954 la función dieléctrica mecánico-cuántica que informa de las excitaciones de los electrones, utilizando teorías lineales, y nosotros hemos obtenido expresiones que informan de la respuesta dinámica cuadrática de los electrones, realizando desarrollos de perturbaciones de gran orden. Hemos demostrado que la diferencia entre las pérdidas de energía de los protones y los antiprotones radica en la respuesta cuadrática del gas de electrones, obteniendo resultados que se ajustan a lo previsto en los experimentos. Asimismo, aprovechando el análisis de la respuesta cuadrática del gas electrón, se han podido investigar las no linealidades de algunos fenómenos físicos observables como consecuencia de la interacción entre partículas cargadas y sólidos, siendo algunos de ellos la estela de la densidad de electrones inducida que producen las partículas cargadas en el seno del gas electrón al atravesar la materia, la excitación de pares de electrones y plintones dobles, y otros factores como el potencial de carga de imagen por la superficie de los sólidos.
Por otra parte, en los últimos años se han estudiado experimentalmente algunos fenómenos físicos inexplicables dentro del modelo gel de sólido, como son las pérdidas energéticas de iones rápidos canalizados en sólidos y los tiempos de vida de los electrones excitados en sólidos. En nuestro grupo estamos analizando los resultados de este tipo de experimentos, interiorizando con detalle la estructura de las bandas electrónicas generadas por el potencial periódico de los núcleos. Para ello utilizamos técnicas bautizadas como 'ab initio', basadas en la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo.
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