Gli elettroni vanno in confusione. Scienziati hanno osservato la più veloce liquefazione di tutti i tempi

Scienziati dell’Helmholtz-Zentrum di Berlino (HZB) hanno osservato uno stravagante comportamento da parte dell’ossido di berillio (BeO) quando lo hanno bombardato con ioni pesanti ad alta velocità: dopo essere stati colpiti in questo modo, gli elettroni nel BeO sono apparsi “confusi”, e sembrava che avessero completamente  dimenticato le proprietà del materiale e del loro ambiente.

Le misure dei ricercatori hanno mostrato cambiamenti nella struttura elettronica che possono essere spiegati con la fusione estremamente rapida attorno alla traiettoria degli ioni pesanti. Se questa interpretazione è corretta, questo dovrebbe corrispondere alla più veloce fusione mai osservata. I ricercatori pubblicheranno i loro risultati su Physical Review Letters.

Nei suoi esperimenti, il Prof. Dr. Gregor Schiwietz e il suo team hanno irradiato un film di ossido di berillio con ioni pesanti ad alta velocità con una carica più alta possibile, in modo tale da fornire la massima potenza d’urto. A differenza di molti altri metodi, l’energia degli ioni pesanti è stata scelta in modo che essi interagiscano principalmente con gli elettroni esterni di valenza, che sono quelli che permettono agli atomi di legarsi insieme con legami chimici per formare strutture più grandi.

Quando gli ioni pesanti penetrano in un materiale, ci sono di solito due effetti che si verificano immediatamente vicino alla zona colpita dagli ioni: gli elettroni si scaldano nelle immediate vicinanze e gli atomi diventano fortemente carichi. A questo punto, gli elettroni Auger (elettroni più esterni che acquistano sufficiente energia per “saltare” fuori dall’atomo) vengono emessi e vengono misurati i loro livelli energetici in una linea di spettro. La linea di spettro è caratteristica di ogni materiale, e cambia di norma solo lievemente dopo un bombardamento con ioni pesanti.

Per la prima volta, i ricercatori hanno bombardato un cristallo di ioni (BeO), che ha proprietà isolanti, con ioni pesanti ad altissima velocità (ioni di xeno), scoprendo un effetto fino ad oggi sconosciuto: la linea di spettro degli elettroni di Auger era cambiata drasticamente – ed è diventata “sbiadita” fino alle energie più elevate.

Insieme a un team di fisici provenienti da Polonia, Serbia e Brasile, i ricercatori hanno osservato caratteristiche distintamente metalliche negli elettroni Auger emessi dal materiale BeO riscaldato. In altre parole, gli elettroni Auger sembravano aver completamente “dimenticato” la loro proprietà di isolante.

I ricercatori vedono questa come la prova evidente che la struttura a bande si rompe molto rapidamente quando il BeO è bombardato con ioni pesanti – in meno di circa 100 femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di milionesimo di millisecondo). Questa suddivisione è innescata dalla temperatura elevata degli elettroni fino a 100000 Kelvin. A lungo termine, tuttavia, il materiale del solido, che in altre zone è freddo, rimane globalmente intatto.

I risultati dei ricercatori  del centro HZB  forniscono una forte evidenza di processi di fusione ultra-veloce  intorno alla traiettoria degli ioni pesanti. Questa fusione è seguita da risolidificazione che elimina tutti i segni permanenti del processo di fusione.

Il prof. Schiwietz spera di trovare altri cristalli ionici che presentano lo stesso processo di scioglimento rapido, ma in cui il processo di risolidificazione non è presente. Se venisse trovato un materiale simile, una applicazione immaginabile sarebbe, ad esempio, un processo di calcolo a velocità dell’ordine dei femtosecondi, qualcosa di molto ma molto più veloce di qualunque elaborazione elettronica attuale.