Plasmas:gases calientes que consisten en electrones que se mueven caóticamente, iones, átomos y moléculas:comprenden el interior de las estrellas, pero los científicos pueden crearlos artificialmente utilizando equipos especiales en el laboratorio. Si un plasma entra en contacto con un sólido, como la pared del equipo de laboratorio, bajo ciertas circunstancias, la pared cambia fundamental y permanentemente:los átomos y moléculas del plasma pueden depositarse sobre el material sólido, o iones de plasma energéticos pueden eliminar átomos del sólido, y de ese modo deformar o incluso destruir su superficie. Un equipo del Instituto de Física Teórica y Astrofísica de la Universidad de Kiel (CAU) ha descubierto ahora un nuevo efecto sorprendente en el que las propiedades electrónicas del material sólido, como su conductividad eléctrica, se puede cambiar por impacto de iones de forma controlada, de manera extremadamente rápida y reversible. Sus resultados fueron publicados recientemente en Cartas de revisión física .

Durante más de 50 años, Los científicos de los campos de la física del plasma y la ciencia de los materiales han estado investigando los procesos en la interfaz entre plasmas y sólidos. Sin embargo, hasta hace poco, los procesos que ocurren dentro del sólido se han descrito solo de manera simplificada. Por lo tanto, no han sido posibles predicciones precisas, y las nuevas aplicaciones tecnológicas se suelen encontrar mediante ensayo y error.

Los científicos de Kiel también han estado investigando la interfase plasma-sólido durante muchos años, desarrollar nuevos diagnósticos experimentales, modelos teóricos y aplicaciones tecnológicas. Pero en su estudio recientemente publicado, el equipo de investigación dirigido por el profesor Michael Bonitz logró un nuevo nivel de precisión en la simulación. Examinaron los procesos en el sólido con alta resolución temporal y pudieron observar en tiempo real cómo reaccionan los sólidos cuando son bombardeados con energéticos iones de plasma.

Para describir estos procesos ultrarrápidos en la escala de unos pocos femtosegundos, una cuadrillonésima parte de un segundo, el equipo aplicó precisión de muchas partículas, métodos de simulación de la mecánica cuántica por primera vez. "Resultó que los iones pueden excitar significativamente los electrones en el sólido. Como consecuencia, dos electrones pueden ocupar una sola posición de red, y así formar un llamado doble, ", explicó Bonitz. Este efecto se produce en determinadas nanoestructuras, por ejemplo, en las denominadas nanocintas de grafeno. Estas son tiras hechas de una sola capa de átomos de carbono, que tienen posibles aplicaciones en nanoelectrónica debido a sus propiedades mecánicas y eléctricas únicas que incluyen una flexibilidad y conductividad extremadamente altas. A través de la producción controlada de tales duplones, puede ser posible alterar las propiedades de tales nanocintas de forma controlada.

"Además, pudimos predecir que este efecto también se puede observar en las redes ópticas en gases ultrafríos, "dijo Bonitz. Así, Los resultados de los científicos de Kiel también son importantes incluso más allá de los límites del campo de la interacción plasma-sólido. Ahora, los físicos buscan las condiciones óptimas en las que el efecto también se pueda verificar experimentalmente en plasmas creados en el laboratorio.