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O pósitron, a antipartícula do elétron, tem a mesma massa e carga que a de um elétron, mas com o sinal invertido para a carga. É uma partícula atraente para os cientistas porque o uso de pósitrons levou a importantes insights e desenvolvimentos nas áreas de física de partículas elementares, física atômica, ciência de materiais, astrofísica e medicina. Por exemplo, sabe-se que os pósitrons são componentes da antimatéria. Eles também são poderosos na detecção de defeitos de rede em sólidos e semicondutores e na análise estrutural da superfície superior dos cristais. Os compostos positrônicos, nomeadamente estados ligados de pósitrons com átomos, moléculas ou íons regulares, representam um aspecto intrigante das interações pósitron-matéria e foram estudados experimentalmente através da observação da aniquilação de pósitrons em gases. Pode ser possível gerar novas moléculas e íons através da formação de compostos de pósitrons, mas nenhuma pesquisa foi feita nessa perspectiva.
Neste contexto, uma equipa de investigação que inclui o professor Yasuyuki Nagashima da Universidade de Ciências de Tóquio (TUS), no Japão, encontrou recentemente uma forma inovadora de explorar as interacções entre positrões e cristais iónicos. Seu trabalho, publicado na Physical Review Letters, envolveu esforços colaborativos do Dr. Takayuki Tachibana, ex-professor assistente da TUS e atualmente afiliado à Universidade Rikkyo, e do Sr.
Os pesquisadores usaram uma técnica baseada em um fenômeno bem explorado que surge do bombardeio de um sólido com um feixe de elétrons. “Sabe-se há muito tempo que quando elétrons são injetados em uma superfície sólida, os átomos que compõem a superfície são ejetados como íons positivos monoatômicos”, explica o Dr. Tachibana. Este processo, conhecido como dessorção estimulada por electrões, motivou a equipa a explorar o que aconteceria se um cristal fosse bombardeado com positrões.
Em seus experimentos, os pesquisadores dispararam um feixe de pósitrons ou de elétrons na superfície (110) de um cristal de fluoreto de lítio (LiF). Usando campos elétricos cuidadosamente posicionados gerados por defletores, eles controlaram as energias incidentes das partículas carregadas. Além disso, os defletores permitiram redirecionar quaisquer íons dessorvidos do cristal para um detector de íons. Os sinais detectados foram então usados para realizar análises espectroscópicas para identificar a composição precisa dos íons dessorvidos.
Eles descobriram que quando o cristal LiF foi irradiado com elétrons, apenas os íons monoatômicos esperados, ou seja, Li+F+e H+ (devido a gases residuais na câmara experimental). No entanto, a injeção de pósitrons no cristal levou à detecção de íons moleculares positivos de flúor (F2+) e íons positivos de fluoreto de hidrogênio (FH+). Notavelmente, este é o primeiro relato de íons moleculares sendo ejetados após irradiação de pósitrons.
Após análises e experimentações adicionais, os pesquisadores desenvolveram um modelo de dessorção para explicar suas observações. De acordo com este modelo, à medida que os pósitrons são injetados em um sólido, alguns deles retornam à superfície após perderem energia. No caso dos cristais de LiF, esses pósitrons podem atrair dois íons negativos de flúor vizinhos na superfície para formar um composto positrônico. Se o pósitron ligado se aniquilar com um dos elétrons do núcleo do íon flúor, um tipo especial de elétron, conhecido como elétron Auger, é emitido, resultando em uma troca de carga e na geração de um F positivo.2+ íon molecular. Este íon é empurrado para fora do cristal pelas forças repulsivas do Li próximo.+ íons.
As descobertas deste estudo podem aprofundar nossa compreensão das interações matéria-antimatéria. “A estabilidade e as propriedades de ligação dos compostos positrônicos fornecem perspectivas únicas sobre a interação de antipartículas com substâncias comuns, abrindo caminho para novas investigações no campo da química quântica”, observa o Dr. Tachibana. “O método proposto poderia, portanto, abrir caminho para a geração de novos íons e moléculas moleculares no futuro.”
Notavelmente, a abordagem poderia ser aproveitada em muitos campos aplicados. Na ciência dos materiais, poderia ser usado para modificar a superfície dos materiais e estudar suas propriedades com uma precisão sem precedentes. Outras aplicações potenciais incluem terapia contra o câncer, computação quântica, armazenamento de energia e dispositivos eletrônicos de próxima geração.
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