Interactions entre particules chargées et solides
CIC nanoGUNEko zuzendaria eta Euskal Herriko Unibertsitateko Materia Kondentsatuaren Fisikako katedraduna
Au fil des ans, l'un des objectifs de la physique a été d'analyser le comportement individuel et collectif des particules qui constituent la structure et la matière de la matière. L'une des sources d'information les plus importantes sur les propriétés de la matière a été celle d'interagir avec des particules chargées mobiles de divers types de matière, et la nécessité de pouvoir interpréter ce type d'essais a rendu indispensable d'analyser les interactions entre la matière et les particules chargées qui interagissent avec elle, puisque ce type de recherches, tant théoriques qu'expérimentales, ont joué un rôle important dans le développement de la physique de ce siècle, sous la plus prestigieuse direction.
Ainsi, Rutherford employait en 1911 des particules d'alpha pour connaître la structure de l'atome et Bohr publiait en 1913 un travail pionnier, calculant la force de freinage que subissent les particules d'alpha en traversant la matière. Dans la prochaine décennie, dès que la Mécanique Quantique s'est développée, les études quantiques et mécaniques d'interaction entre la matière et les particules chargées avaient déjà commencé.
La
réalisation des travaux théoriques de l'époque a donné lieu à la publication de nombreux travaux, à travers des études théoriques et expérimentales des interactions entre la matière et les ions. En outre, afin de connaître la structure de la matière, les électrons ont également été utilisés, en particulier dans le cas de la conception du microscope électronique basé sur la duplicité des particules d'onde de la matière prédite par la Mécanique Quantique, le microscope à émission de champs et le microscope à tunnels.
Pour analyser l'interaction entre les électrons qui forment la
matière et les particules externes chargées, deux approches principales ont été réalisées au fil des ans. D'une part, des théories linéaires ont été utilisées, comprenant que la perturbation produite par la particule externe dans le gaz d'électrons qui compose la matière est petite. D'autre part, on a utilisé le modèle gel de solide, en considérant un fond uniforme de charge positive qui élimine la charge moyenne négative des électrons du solide au lieu du potentiel périodique généré par les noyaux.
En
utilisant des théories linéaires, on a découvert que l'énergie que les particules externes en mouvement perdent par l'excitation du gaz d'électrons est proportionnelle au deuxième tour de la charge de la particule. Cependant, Barcas a démontré expérimentalement qu'en 1963 les énergies perdues par les pions positifs et négatifs en traversant la matière sont différentes, démontrant que la perte d'énergie n'est donc pas proportionnelle au carré de la charge du projectile. En 1989, on a mesuré les pertes énergétiques des antiprotons, qui pour la première fois ont pu rendre compte expérimental de la contribution de la perte d'énergie proportionnelle au cube de la charge du projectile en comparant les pertes énergétiques des protons et des antiprotons.
Dans
notre groupe, nous avons réalisé une analyse théorique de l'origine de cette contribution non linéaire à partir de la théorie quantique des champs. Lindhard a publié en 1954 la fonction diélectrique mécanique-quantique qui informe des excitations des électrons, en utilisant des théories linéaires, et nous avons obtenu des expressions informant de la réponse dynamique quadratique des électrons, réalisant des développements de perturbations de grand ordre. Nous avons démontré que la différence entre les pertes d'énergie des protons et des antiprotons réside dans la réponse quadratique du gaz d'électrons, obtenant des résultats qui sont conformes aux prévisions des expériences. De même, en profitant de l'analyse de la réponse quadratique du gaz électron, nous avons pu étudier les non-linéarités de certains phénomènes physiques observables à la suite de l'interaction entre des particules chargées et solides, dont certaines sont : Le sillage de la densité d'électrons induite qui génèrent les particules chargées au sein du gaz électron en traversant la matière, l'excitation des trous d'électrons et des doubles plasmons, et le potentiel d'image que subissent les particules chargées qui se déplacent par la surface des solides, entre autres.
D'autre
part, au cours des dernières années, on a étudié expérimentalement certains phénomènes physiques inexplicables dans le modèle gel de solide, comme les pertes énergétiques des ions rapides canalisés en solides et les temps de vie des électrons excités dans les solides. Dans notre groupe, nous analysons les résultats de ce type d'expériences, en intériorisant en détail la structure des bandes électroniques générées par le potentiel périodique des noyaux. Pour cela, nous utilisons des techniques appelées 'ab initio', basées sur la théorie fonctionnelle de la densité dépendante du temps.
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