Un grupo de investigadores dirigidos por Cornell en el Center for Bright Beams ha desarrollado un nuevo enfoque teórico para calcular cómo los átomos se dispersan desde las superficies. El método, desarrollado por el doctorado en física de Cornell recientemente conferido. Michelle Kelley y sus colaboradores y publicado en Physical Review Letters , es el primer método para calcular explícitamente las interacciones entre un átomo en dispersión y una superficie directamente desde los primeros principios.
Para comprender la superficie de un material, se podría utilizar un haz de electrones o rayos X para sondear la superficie, pero eso dañaría el material. Durante años, los investigadores han estado investigando superficies de materiales cristalinos utilizando la dispersión de haces de moléculas fuera de la superficie. En particular, el helio es muy adecuado para esta tarea porque es capaz de proporcionar resolución a escala atómica a bajas energías. Sin embargo, los modelos que los investigadores han utilizado para comprender las propiedades de los materiales de esta manera son defectuosos.
Cuando el helio se dispersa de una superficie, dispersa la densidad de electrones libres del material en lugar de penetrar la superficie del material sin dejar daños y al mismo tiempo excitar vibraciones útiles en la superficie. Esto hace que los haces de helio sean potencialmente muy útiles para comprender las características de la superficie de los materiales a nivel molecular.
"A diferencia de la dispersión de electrones o rayos X, los haces atómicos y moleculares son sondas de superficie no destructivas que permiten investigaciones de muestras cada vez más sensibles y delicadas, superando los límites científicos de los tipos de superficies que pueden examinarse de manera factible", dijo Kelley.
Sin embargo, para que la dispersión de átomos sea útil, es fundamental realizar predicciones teóricas precisas de las firmas de dispersión. Hasta la fecha, estos modelos predictivos han sido demasiado simplificados o engañosos. Kelley y su grupo han presentado un nuevo método de predicción de dispersión que proporciona un enfoque completamente ab initio, o desde el principio, para guiar la dispersión de haces atómicos no destructivos, como la dispersión de átomos de helio.
"Ahora podemos, por primera vez, calcular teóricamente, sin insumos ni suposiciones externas, cómo los átomos de helio depositan energía en un material cuando rebotan en su superficie", dijo Tomás Arias, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias. Sciences (A&S), quien dirigió y supervisó la investigación.
El grupo de Kelley utilizó las interacciones superficiales de un haz de helio con una superficie de niobio para capturar cómo interactuaban entre sí la dispersión de átomos y la excitación de fonones. Esto les permitió crear esta nueva teoría predictiva que cambiará la forma en que los investigadores modelan la estructura de la superficie. Aunque la teoría se desarrolló utilizando un haz de helio y niobio, generalmente se puede aplicar a otras combinaciones átomo-superficie.
"Nuestro nuevo enfoque teórico produce resultados de alta precisión, ya que evita por completo modelos poco confiables y el ajuste asociado de parámetros que se requería en enfoques semiempíricos anteriores", dijo Kelley. "Mejorar la precisión de las predicciones teóricas de este tipo ayudará a guiar e interpretar los experimentos de próxima generación que utilizan la dispersión de haces atómicos como una sonda no destructiva de propiedades de superficies sensibles".
"Este resultado ayudará a mejorar nuestra comprensión de cómo interactúan los electrones y los átomos en un material", dijo Arias, "arrojando luz sobre fenómenos importantes, incluida la superconductividad, al guiar dichos experimentos y mejorar su interpretación".
Más información: Michelle M. Kelley et al, Enfoque totalmente ab initio para la dispersión inelástica de la superficie del átomo, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.016203
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por la Universidad de Cornell
