¿Cómo va cambiando la carga de un ion que atraviesa un sólido?

Para entender realmente la esencia de algo, hay que lanzarle proyectiles. Ese, al menos, ha sido durante mucho tiempo el enfoque preferido de algunos físicos. Esos científicos suelen estudiar las sutiles propiedades de los sólidos bombardeándolos con partículas cargadas y observando las que rebotan, quedan atrapadas o los atraviesan y emergen cambiadas de algún modo. Sin embargo, los detalles de lo que ocurre con esas partículas mientras se hallan en el interior de algunos materiales siguen siendo un misterio.

Recientemente, un equipo de físicos de la Universidad Técnica de Viena y sus colaboradores han descubierto algunos de esos detalles disparando iones a través de un sólido que iban «pelando» como si fuera un plátano, eliminando una capa de átomos tras otra. Su estudio, publicado en agosto en Communications Physics, podría lograr que varias técnicas de análisis y fabricación de materiales fueran más exactas y precisas.

Los esfuerzos modernos por estudiar la materia a partir de sus interacciones con las partículas cargadas se remontan al trabajo del físico Niels Bohr en la década de 1940. Bohr estudió cómo cambiaba la carga de un ion al atravesar un sólido: un ion con carga positiva, por ejemplo, puede reducir su carga tomando prestados algunos electrones de los átomos del sólido. Bohr observó que era posible capturar y examinar esos iones después de que atravesaran un objetivo y luego usar la teoría que él mismo había desarrollado para inferir la estructura electrónica que habían encontrado durante su viaje.

Desde entonces, los iones se han convertido en una herramienta esencial para explorar la estructura y composición de los materiales (una actividad conocida como análisis de materiales), pero los físicos no han podido determinar experimentalmente detalles como la rapidez con la que los electrones saltan a un ion o cuán próximo debe estar un ion a los átomos de un sólido para que se produzcan esos saltos. El nuevo estudio añade detalles al trabajo de Bohr, al ser el primero que logra observar en un experimento cómo ocurren los saltos.

«Queríamos entender qué procesos tienen lugar cuando el ion choca con el material», explica Anna Niggas, física de la Universidad Técnica de Viena y primera firmante del artículo. Dichos procesos pueden implicar distintas interacciones con tantos electrones que es casi imposible llevar la cuenta de todas las permutaciones. Y lo que resulta aún más problemático, esos procesos ocurren muy rápido, demasiado como para poder fotografiarlos o grabarlos directamente, explica Daniel Primetzhofer, físico de la Universidad de Upsala que no participó en el experimento.

Primetzhofer señala que los iones incidentes y los electrones del material interactúan durante una milbillonésima de segundo, pero la tecnología actual solo permite examinar el ion al cabo de un microsegundo, un tiempo un billón de veces más largo. Es como si los físicos intentaran deducir los detalles de una breve conversación entre el conductor de un autobús (un ion) y un gran número de pasajeros (muchos electrones que interactúan con el ion) observando las expresiones faciales del conductor al final del trayecto. En esta analogía, para analizar la «conversación» entre un ion y los electrones circundantes, Niggas y su equipo tuvieron que desmontar el «autobús» (el sólido) pieza a pieza.

Los investigadores comenzaron convirtiendo átomos de xenón en iones altamente cargados, para lo cual les arrancaron electrones. A continuación, lanzaron esos iones a través de varias capas monoatómicas de carbono, donde interactuaron con los electrones del material y los capturaron. Al ir retirando progresivamente la capas de carbono, el equipo pudo examinar cómo se comportan los iones cuando atraviesan una, dos o tres capas en total.

Cuando un ion atravesaba una única capa de átomos de carbono, lo que se conoce como grafeno, su viaje era análogo a una colisión con la superficie de un sólido tridimensional. En el caso de dos láminas de grafeno apiladas, era como si el ion pasara a través de un sólido extremadamente fino. Con cada nueva capa de grafeno que añadían, los investigadores podían determinar lo que le ocurriría al ion en distintas posiciones de un sólido normal. Cada capa es como una fila de asientos del metafórico autobús: si la cara del conductor cambia tras añadir una fila, sabremos que es ahí donde se producen las interacciones más importantes.

Primetzhofer señala que la posibilidad de precisar exactamente dónde interactúa el ion con la mayoría de los electrones del sólido de carbono constituye una gran ventaja del nuevo enfoque. «El punto concreto donde ocurre la interacción es algo muy difícil de evaluar en los experimentos con haces de iones», destaca. «Quizá sea el santo grial en la investigación de las interacciones ion-materia».

El equipo de Viena fue pionero en esta técnica y la utilizó para establecer que una única capa de grafeno suele suministrar suficientes electrones para neutralizar un ion incidente. «Hace años, cuando se realizaron los primeros experimentos [de iones] con grafeno, nadie habría esperado que pudieran capturar tantos electrones al atravesar una sola capa del material», señala Niggas. Eso sugiere que las capas de grafeno podrían usarse para proteger los delicados semiconductores presentes en los dispositivos electrónicos frente a los iones altamente cargados.

Según Niggas, el estudio también reveló algunas relaciones sorprendentemente sencillas sobre la velocidad a la que debe viajar un ion para capturar un determinado número de electrones al atravesar un cierto número de capas de grafeno. Esa información es necesaria para integrar los haces de iones en aplicaciones prácticas cada vez más precisas. Los investigadores también esperaban algunas sorpresas: sabían todas las lagunas que presentan los modelos teóricos referidos al viaje de un ion.

«En realidad, no existe una teoría completa que describa todas las interacciones entre los iones y la materia, y que pueda predecir sus resultados de manera precisa», afirma Svenja Lohmann, física del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf que no participó en el estudio, sobre el tipo de iones estudiados por Niggas y sus colaboradores.

En el experimento, un ion capturaba decenas de electrones de los átomos de carbono del grafeno. Esos electrones interactuaban con los que ya contenía el ion, y también entre ellos y con todos los demás electrones del grafeno. Un modelo matemático que pudiera predecir las velocidades y distancias de los electrones que saltan al ion debería describir todas esas interacciones. En nuestro autobús metafórico, los físicos tendrían que intentar escuchar una cacofonía de innumerables conversaciones superpuestas para decidir cuáles son las más importantes.

«Elaborar una teoría mecanocuántica realmente buena para todos esos electrones que interactúan representa un enorme reto», admite Michael Bonitz, físico teórico de la Universidad de Kiel que no tomo parte en el experimento. Bonitz cree que el nuevo estudio puede servir para mejorar esas teorías. «Este trabajo no solo es interesante desde el punto de vista experimental y relevante por las posibles aplicaciones, sino que también podría dar un impulso a la teoría», opina.

Poseer modelos matemáticos y computacionales avanzados sería importante para mejorar el uso de los iones en la fabricación y el análisis de materiales. Por ejemplo, para construir dispositivos semiconductores, los ingenieros a veces modifican la estructura electrónica de los materiales bombardeándolos con iones. Una comprensión detallada de esas interacciones podría conducir a una fabricación más precisa.

En el análisis de materiales, los científicos siguen la vieja idea de Bohr: quieren desvelar los detalles de la estructura electrónica de un material midiendo las propiedades de un ion después de que interactúe con él. «Los iones muy cargados pueden actuar a modo de lupa», asegura Primetzhofer. «Disponer de modelos teóricos más precisos supondría un mayor aumento.» Bonitz lleva la idea más allá: «La pregunta es: ¿podemos usar los iones para estudiar materiales desconocidos y hallar algo que no sea posible descubrir con otras herramientas?».

Como siguiente paso, los investigadores de la Universidad Técnica de Viena tienen previsto estudiar un nuevo sólido artificial diseñado por ellos mismos: esta vez pretenden analizar cómo interactúan los iones altamente cargados con dos sustancias en vez de una, enviándolos a través de capas de grafeno intercaladas con otro material. «Lo mejor de todo es que no funciona solo con el grafeno», concluye Niggas.

Karmela Padavic-Callaghan

Referencia: «Peeling graphite layer by layer reveals the charge exchange dynamics of ions inside a solid», Anna Niggas et al. en Communications Physics, vol. 4, art. 180, 12 de agosto de 2021.

Fuente: Investigación y ciencia es

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