Los "átomos huecos", que se están produciendo en los laboratorios de TU Wien (Viena) son objetos bastante exóticos. Sus electrones están en un estado de energía extremadamente alta (los llamados estados de Rydberg), pero cuando se disparan a través de otro material, pueden deshacerse de esta energía en cuestión de femtosegundos (millonésimas de mil millonésimas de segundo).

Por mucho tiempo, Los físicos han estado especulando sobre cómo este proceso puede ser tan rápido. Los experimentos con iones de xenón y grafeno han demostrado ahora que la razón es un efecto que ha sido enormemente subestimado:el llamado "decaimiento interatómico de coulomb". Estudiar este efecto no solo es importante para la física atómica, sino también para nuestra salud:cuando se irradia material biológico, la desintegración del culombio interatómico puede fracturar moléculas de ADN. Estos resultados ya se han publicado en la revista Cartas de revisión física .

Átomos huecos

Los entornos extremos se crean en los laboratorios de TU Wien. En una trampa de iones se utilizan grandes cantidades de energía para extraer una gran cantidad de electrones de sus átomos, dejando atrás iones muy cargados. Cuando un ion de este tipo se dispara sobre una superficie, recupera sus electrones, sacándolos de la superficie. Estos nuevos electrones, sin embargo, tienen energías muy altas. Ocupan las capas externas de electrones, lejos del núcleo atómico, mientras que en un átomo normal, los electrones tienden a ocupar las capas de electrones más internas, donde su energía es baja. Un átomo, en el que muchos electrones se encuentran en las capas externas de electrones mientras que muchos estados internos de los electrones están vacíos, se llama "átomo hueco".

"Tan pronto como estos átomos huecos entren en un sólido, por ejemplo, cuando penetran una fina lámina, su estado electrónico cambia casi instantáneamente ", dice Richard Wilhelm, científico del equipo del Prof. Friedrich Aumayr en TU Wien. "Los electrones altamente excitados regresan a un estado de menor energía. Y esto sucede tan rápido que durante muchos años siguió siendo un misterio, qué proceso puede ser responsable de esa transferencia de energía ".

"Los mecanismos habituales que normalmente permiten que los electrones se deshagan de su energía son demasiado lentos", dice Friedrich Aumayr. "Por lo tanto, Se han propuesto diferentes hipótesis ad-hoc para explicar este fenómeno. Pero nadie tuvo una respuesta satisfactoria ".

Xenón y grafeno

Junto con físicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, el equipo vienés decidió echar un vistazo más de cerca. Usaron iones muy pesados, treinta veces átomos de xenón cargados positivamente, y los lanzaron sobre grafeno, el material más fino del mundo, que consta de una sola capa de átomos de carbono. El tiempo que tardan los átomos cargados en atravesar el grafeno es de solo un femtosegundo, pero este contacto ultracorto es suficiente para cambiar completamente la distribución de electrones.

El experimento mostró que esta redistribución se debe a un efecto, lo que se ha considerado poco importante:la desintegración interatómica de Coulomb:la energía de un solo electrón se transfiere a varios otros electrones de átomos vecinos. El átomo de xenón altamente cargado pasa a través de la capa de grafeno y entra en contacto con varios átomos de carbono al mismo tiempo. La alta energía de un electrón en el átomo de xenón se transmite a varios electrones en el grafeno que ahora pueden dejar su lugar y salir disparados, pero solo con energías bastante bajas.

La baja energía de los electrones resultantes es la razón por la que este proceso juega un papel interesante en biología. Dichas desintegraciones de culombio interatómico también pueden ocurrir cuando la radiación ionizante (como se usa en la terapia del cáncer, cuando los pacientes son irradiados con radiación gamma, iones o electrones) elimina un electrón interno de un átomo y deja el átomo en un estado muy excitado ("hueco"). También en ese caso, la energía se puede distribuir entre varios átomos vecinos, y se emiten muchos electrones lentos. Esto puede provocar roturas de una o dos hebras en las moléculas de ADN. En tejido humano normal, esto puede causar defectos hereditarios o cáncer, pero en radioterapia, este tipo de daño al ADN puede ser muy eficaz para destruir las células cancerosas.

Estos nuevos conocimientos sobre el importante papel de la desintegración del culombio interatómico en los átomos huecos abren nuevas formas de estudiar este efecto y obtener nuevos conocimientos que son relevantes para la medicina y la biología.