Odkrywanie mocy zatrzymania elektronów
Gdy jony przechodzą przez ciała stałe, ciecze i gazy, dochodzi do neutralizacji i utraty energii. Proces ten nazywa się zatrzymaniem elektronów i ma fundamentalne znaczenie dla lepszego zrozumienia właściwości materii, co z pewnością tłumaczy, dlaczego był on intensywnie badany od ponad wieku i jest obecnie w dużej mierze poznany... przynajmniej w przypadku układów zbliżonych do stanu równowagi. Zrozumienie funkcjonowania układów dynamicznych to odrębna kwestia, jak wyjaśnia profesor Emilio Artacho z centrum badań nanoGUNE Cooperative Research Center (CIC): „Głębsze zrozumienie dynamicznych wieloskładnikowych układów kwantowych jest, jak sądzę, jednym z ważnych naukowych wyzwań XXI wieku. Obliczenia pierwszorzędowe – symulacja ilościowa i przewidywanie właściwości materii poprzez szerokie zastosowanie superkomputerów – ułatwiają przewidywanie właściwości wielu ciał stałych, cieczy lub gazów w stanie równowagi lub w stanie do niej zbliżonym. Jednak obliczenia te są daleko w tyle, jeśli chodzi o warunki braku równowagi: mamy niezłe pojęcie o tym, co się dzieje, ale nie możemy dokładnie przewidzieć tych zdarzeń”. Sporządzanie takich prognoz jest warte zachodu. Elektroniczne procesy zatrzymywania w ciałach stałych są kluczowym etapem procesów uszkodzeń radiacyjnych, które są bardzo ważne dla zrozumienia i kontroli materiałów jądrowych, wpływu promieniowania kosmicznego na statki kosmiczne i ich załogi, a także niektórych form radioterapii. Po rozpoczęciu badań nad podstawowymi obliczeniami elektronicznego procesu zatrzymania ponad dekadę temu centrum badań nanoGUNE CIC jest liderem w tej dziedzinie, a projekt ElectronStopping (Electronic stopping power from first principles) umożliwił prof. Artacho i jego zespołowi pójście o krok dalej i przeprowadzenie symulacji tych procesów w czasie rzeczywistym. Mimo że wciąż potrzeba wielu badań, aby poprawić szacunki i uwzględnić brakujące wpływy, prof. Artacho mówi, że podejście to może być wykorzystywane do badania bardzo różnych rodzajów układów, od prostych metali po DNA. Jak podkreśla, zespół projektu poczynił znaczne postępy pod względem teorii, technologii i zastosowań praktycznych. „Z technicznego punktu widzenia stworzyliśmy interesujący związek między równaniami, które rozwiązujemy na komputerze, a zakrzywionymi przestrzeniami ogólnej teorii względności, czyli dziedzinami, które normalnie nie są ze sobą powiązane. W ten sposób mogliśmy zaproponować nowe techniki numeryczne w celu poprawy naszych obliczeń. Udało nam się także scharakteryzować elektroniczne procesy zatrzymywania w różnych systemach, od półprzewodników po metale przejściowe. Zbadaliśmy również (niskoenergetyczną) odpowiedź wody w stanie ciekłym na jony węgla, wykorzystywaną w terapii jonowej”. Oprócz tych postępów zespół projektu przewidział nieoczekiwaną dynamiczną niestabilność w tych procesach. „Wszystkie teorie zatrzymania elektronicznego do tej pory zakładały i przewidywały pewien rodzaj stacjonarnego reżimu, dzięki któremu jony tracą energię w płynny sposób. Nasze obliczenia wykazały jednak nieoczekiwany efekt »trzepotania« w głębokich elektronach związanych z ciężkim jonem wyrzutowym – oscylację analogiczną do trzepotania flagi przy stałym wietrze. Miałoby to silne powiązania z innymi układami nierównowagowymi”. Poprzez lepsze zrozumienie procesów uszkodzeń promieniowania projekt ElectronStopping ułatwia badaczom ich kontrolowanie lub zapewnianie lepszej ochrony przed nimi. Prof. Artacho przyznaje, że sposób, w jaki społeczeństwo wykorzysta wyniki projektu, jest trudny do przewidzenia, jednak ma nadzieję, że inżynierowie i przedsiębiorcy szybko wymyślą produkty nadające się do sprzedaży. Dzięki finansowaniu w ramach programu „Horyzont 2020” rozpoczęto już projekt kontynuacyjny o nazwie ESC2RAD. Techniki opracowane przez zespół projektu ElectronStopping zostaną wykorzystane do charakteryzowania procesów uszkodzeń radiacyjnych związanych z badaniem kosmosu, zarówno w warunkach panujących na statku kosmicznym, jak i na Marsie. Prof. Artacho i jego zespół stworzą nowe ramy teoretyczne, aby lepiej zrozumieć elektroniczne procesy zatrzymywania.
Słowa kluczowe
ElectronStopping, uszkodzenia radiacyjne, zatrzymywanie elektronowe, radioterapia, odpady radioaktywne