Il potere del frenamento elettronico mostra tutto il suo potenziale
Quando gli ioni passano attraverso solidi, liquidi e gas, si verifica un processo di neutralizzazione e di perdita di energia. Questo processo viene denominato frenamento elettronico ed è fondamentale per comprendere meglio le proprietà della materia, fatto che certamente spiega per quale motivo sia stato ampiamente studiato per oltre un secolo e sia ora ampiamente compreso… almeno per quanto riguarda i sistemi vicini all’equilibrio. La comprensione dei sistemi dinamici è un’altra storia, come spiega il prof. Emilio Artacho del Centro di Ricerca Cooperativa (CRC) nanoGUNE: «Una più profonda comprensione dei sistemi quantistici dinamici a molti corpi è, credo, una delle più importanti sfide scientifiche per il XXI secolo. Calcoli dei primi principi, simulazione quantitativa e previsione delle proprietà della materia mediante l’uso estensivo di supercomputer, rendono facile prevedere le proprietà di molti solidi, liquidi o gas in equilibrio o quasi. Ma questi calcoli non sono abbastanza avanzati quando si tratta di situazioni di non equilibrio: abbiamo le idee chiare su ciò che accade, ma non siamo in grado di prevederlo accuratamente». Vale la pena fare previsioni del genere. I processi di frenamento elettronico nei solidi sono uno stadio chiave nei processi di danno da radiazioni, che sono molto importanti per comprendere e controllare i materiali nucleari, l’impatto delle radiazioni cosmiche su navicelle ed equipaggi, nonché alcune forme di radioterapia. Avendo avviato un filone di ricerca sui calcoli dei primi principi per i processi di frenamento elettronico oltre un decennio fa, il CRC nanoGUNE è un leader nel settore, e il progetto ElectronStopping (Electronic stopping power from first principles) ha consentito al prof. Artacho e al suo team di compiere un ulteriore passo avanti nel tentativo di simulare questi processi in tempo reale. Sebbene siano ancora necessarie molte ricerche per migliorare le loro approssimazioni e includere gli effetti mancanti, il prof. Artacho afferma che l’approccio può trattare tipi di sistemi molto diversi, dai semplici metalli al DNA. Sottolinea inoltre che il progetto ha compiuto progressi fondamentali, tecnici e applicati: «Da un punto di vista tecnico, abbiamo realizzato un interessante collegamento tra le equazioni che stiamo risolvendo sul computer e gli spazi curvi della relatività generale, due campi altrimenti molto distanti. Tale collegamento ci ha permesso di suggerire nuove tecniche numeriche per migliorare i nostri calcoli. Siamo anche stati in grado di caratterizzare i processi di frenamento elettronico in sistemi diversificati, dai semiconduttori ai metalli di transizione, e abbiamo esplorato la risposta (a bassa energia) dell’acqua liquida agli ioni carbonio, come utilizzata nella terapia ionica». Accanto a questi progressi, il progetto ha previsto un’inaspettata instabilità dinamica in questi processi. «Tutte le teorie sul frenamento elettronico finora hanno presupposto, e previsto, una sorta di regime stazionario attraverso il quale gli ioni perdono energia in modo fluido. Ma i nostri calcoli hanno dimostrato un effetto di «agitazione» inaspettato negli elettroni profondi legati a un pesante ione proiettile, un’oscillazione analoga allo sventolare di una bandiera in presenza di un vento costante. Ciò avrebbe connessioni profonde con altri sistemi di non-equilibrio». Con una migliore comprensione dei processi di danneggiamento delle radiazioni, ElectronStopping consente ai ricercatori di controllare o fornire una migliore protezione contro di essi. Anche se il prof. Artacho ammette che il modo in cui la società farà uso dei risultati del progetto è difficile da prevedere, è fiducioso che ingegneri e imprenditori saranno rapidi nel pensare a prodotti commercializzabili. Un progetto di follow-up, denominato ESC2RAD, ha già iniziato con il finanziamento nell’ambito di Orizzonte 2020. Verranno applicate le tecniche di ElectronStopping per la caratterizzazione dei processi del danno da radiazioni rilevanti per l’esplorazione dello spazio, sia in navicella che nelle condizioni di Marte. Il prof. Artacho e il suo team svilupperanno anche nuove strutture teoriche per comprendere meglio i processi di frenamento elettronico.
Parole chiave
ElectronStopping, danno da radiazioni, frenamento elettronico, radioterapia, scorie nucleari
