El poder de frenado electrónico revela su potencial
A medida que los iones atraviesan sólidos, líquidos y gases, se produce un proceso de neutralización y pérdida de energía. Este proceso se denomina poder de frenado electrónico y es fundamental para comprender mejor las propiedades de la materia, lo que sin duda explica por qué se ha estudiado con denuedo durante más de un siglo y ahora se entiende en gran parte; al menos en lo que respecta a sistemas próximos al equilibrio. La comprensión de sistemas dinámicos es harina de otro costal, tal y como explica el profesor Emilio Artacho del Centro de Investigación Cooperativa (CIC) nanoGUNE: «Una comprensión más detallada de sistemas cuánticos dinámicos de muchos cuerpos es, en mi opinión, uno de los retos científicos más importantes del siglo XXI. Los cálculos de primeros principios —la simulación y predicción cuantitativa de las propiedades de la materia mediante el uso exhaustivo de superordenadores— facilitan la predicción de las propiedades de muchos sólidos, líquidos o gases en equilibrio o próximos a él. Pero estos cálculos están muy desfasados en lo que respecta a situaciones fuera de equilibrio. Tenemos una idea bastante clara del tipo de cosas que acontecen, aunque no podemos predecirlas con exactitud». Realizar tales predicciones bien vale la pena. Los procesos de frenado electrónico en sólidos constituyen una etapa clave en los procesos de daño por radiación, que son muy importantes para la comprensión y el control de los materiales nucleares, el impacto de las radiaciones cósmicas en las naves espaciales y sus tripulaciones, así como en algunas formas de radioterapia. El Centro de Investigación Cooperativa (CIC) nanoGUNE, que puso en marcha hace más de una década una línea de investigación sobre los cálculos de primeros principios para los procesos de frenado electrónico, es un referente en este campo, y el proyecto ElectronStopping (Electronic stopping power from first principles) permitió al profesor Artacho y su equipo dar un paso al frente al tratar de simular estos procesos en tiempo real. Aunque todavía se requiere llevar a cabo investigaciones adicionales a fin de mejorar sus aproximaciones e incluir los efectos perdidos, el profesor Artacho explica que el enfoque puede lidiar con diferentes tipos de sistemas, desde metales simples hasta el ADN. El proyecto ha realizado progresos fundamentales, técnicos y aplicados, como destaca el investigador: «Desde un punto de vista técnico, hemos establecido un vínculo muy interesante entre las ecuaciones que estamos resolviendo con la ayuda de los ordenadores y los espacios curvos de la teoría general de la relatividad, dos campos que por lo demás están muy separados. Este vínculo nos ha permitido proponer nuevas técnicas numéricas para mejorar nuestros cálculos computacionales. También hemos podido caracterizar los procesos de frenado electrónico en diversos sistemas, desde semiconductores hasta metales de transición, y hemos examinado la respuesta (de baja energía) del agua líquida a los iones de carbono, tal y como se utilizan en la terapia de iones». Junto con estos avances, el proyecto ha predicho la existencia de una inestabilidad dinámica inesperada en estos procesos. «Todas las teorías del frenado electrónico han asumido y predicho hasta ahora algún tipo de régimen estacionario por el cual los iones pierden energía de una manera gradual. Pero nuestros cálculos han demostrado un inesperado efecto de “aleteo” en los electrones profundos ligados a un ion proyectil pesado, una oscilación análoga al ondeo de una bandera ante un viento constante. Esto tendría repercusiones de calado para otros sistemas en desequilibrio». Al comprender mejor los procesos de daño por radiación, ElectronStopping permite a los investigadores controlarlos o proporcionar una mejor protección contra ellos. Si bien el profesor Artacho admite que es difícil prever la forma en la que la sociedad aprovechará los resultados del proyecto, él espera que los ingenieros y empresarios piensen rápidamente en productos comercializables. Un proyecto sucesor, denominado ESC2RAD, ya se ha puesto en marcha gracias a la financiación del programa Horizonte 2020. Este empleará las técnicas de ElectronStopping para caracterizar los procesos de daño por radiación relevantes para la exploración espacial, tanto en naves espaciales como en las condiciones de Marte. El profesor Artacho y su equipo desarrollarán asimismo nuevos marcos teóricos para comprender mejor los procesos de frenado electrónico.
Palabras clave
ElectronStopping, daño por radiación, frenado electrónico, radioterapia, residuos nucleares
