Gli "atomi vuoti", che vengono prodotti nei laboratori di TU Wien (Vienna) sono oggetti piuttosto esotici. I loro elettroni sono in uno stato di energia estremamente elevata (i cosiddetti stati di Rydberg), ma quando vengono sparati attraverso un altro materiale, possono liberarsi di questa energia in pochi femtosecondi (milionesimi di miliardesimo di secondo).

Per molto tempo, i fisici hanno ipotizzato come questo processo possa essere così veloce. Esperimenti con ioni xeno e grafene hanno ora dimostrato che il motivo è un effetto ampiamente sottovalutato:il cosiddetto "decadimento coulombiano interatomico". Lo studio di questo effetto non è importante solo per la fisica atomica, ma anche per la nostra salute:quando il materiale biologico viene irradiato, il decadimento coulombiano interatomico può fratturare le molecole di DNA. Questi risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Atomi vuoti

Gli ambienti estremi vengono creati nei laboratori della TU Wien. In una trappola ionica, grandi quantità di energia vengono utilizzate per strappare un gran numero di elettroni dai loro atomi, lasciando dietro di sé ioni altamente carichi. Quando un tale ione viene sparato su una superficie, riacquista i suoi elettroni, allontanandoli dalla superficie. Questi nuovi elettroni, però, hanno energie molto alte. Occupano i gusci elettronici esterni, lontano dal nucleo atomico - mentre in un atomo normale, gli elettroni tendono ad occupare i gusci elettronici più interni, dove la loro energia è bassa. un atomo, in cui molti elettroni si trovano nei gusci elettronici esterni mentre molti stati elettronici interni sono vuoti, si chiama "atomo vuoto".

"Non appena questi atomi cavi entrano in un solido, Per esempio, quando penetrano in una lamina sottile, il loro stato elettronico cambia quasi istantaneamente", dice Riccardo Guglielmo, uno scienziato nel team del Prof. Friedrich Aumayr alla TU Wien. "Gli elettroni altamente eccitati ritornano a uno stato di energia inferiore. E questo accade così velocemente che per molti anni è rimasto un mistero, quale processo può essere responsabile di quel trasferimento di energia."

"I soliti meccanismi che normalmente consentono agli elettroni di liberarsi della loro energia sono troppo lenti", dice Friedrich Aumayr. "Perciò, diverse ipotesi ad hoc sono state proposte per spiegare questo fenomeno. Ma nessuno ha davvero avuto una risposta soddisfacente".

Xenon e grafene

Insieme ai fisici dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, la squadra viennese ha deciso di dare un'occhiata più da vicino. Hanno usato ioni molto pesanti - trenta volte atomi di xeno carichi positivamente - e li hanno sparati sul grafene, il materiale più sottile al mondo, costituito da un solo strato di atomi di carbonio. Il tempo impiegato dagli atomi carichi per attraversare il grafene è solo un femtosecondo, ma questo contatto ultracorto è sufficiente per cambiare completamente la distribuzione degli elettroni.

L'esperimento ha mostrato che questa ridistribuzione è dovuta ad un effetto, che è stato considerato piuttosto irrilevante - il decadimento interatomico di Coulomb:l'energia di un singolo elettrone viene trasferita a diversi altri elettroni di atomi vicini. L'atomo di xeno altamente carico passa attraverso lo strato di grafene ed entra in contatto con più atomi di carbonio contemporaneamente. L'elevata energia di un elettrone nell'atomo di xeno viene trasmessa a diversi elettroni nel grafene che ora possono lasciare il loro posto e sfrecciare via, ma solo con energie piuttosto basse.

La bassa energia degli elettroni risultanti è la ragione per cui questo processo gioca un ruolo interessante in biologia. Tali decadimenti interatomici di Coulomb possono verificarsi anche durante la radiazione ionizzante (come viene utilizzata nella terapia del cancro, quando i pazienti sono irradiati con radiazioni gamma, ioni o elettroni) rimuove un elettrone interno da un atomo e lascia l'atomo in uno stato altamente eccitato ("cavo"). Anche in quel caso, l'energia può essere distribuita su più atomi vicini, e molti elettroni lenti vengono emessi. Questo può portare a rotture a singolo o doppio filamento nelle molecole di DNA. Nel normale tessuto umano, questo può causare difetti ereditari o cancro, ma nella radioterapia, questo tipo di danno al DNA può essere molto efficace nel distruggere le cellule tumorali.

Queste nuove intuizioni sull'importante ruolo del decadimento coulombiano interatomico negli atomi cavi aprono nuovi modi di studiare questo effetto e ottenere nuove intuizioni rilevanti per la medicina e la biologia.