De "ihåliga atomerna", som produceras i laboratorierna på TU Wien (Wien) är ganska exotiska föremål. Deras elektroner är i ett tillstånd av extremt hög energi (så kallade Rydberg -stater), men när de skjuts genom ett annat material, de kan bli av med denna energi på femtosekunder (miljondelar av en miljarddel av en sekund).

Under en lång tid, fysiker har spekulerat i hur denna process kan vara så snabb. Experiment med xenonjoner och grafen har nu visat att orsaken är en effekt som har underskattats enormt:det så kallade "interatomiska coulombförfallet". Att studera denna effekt är inte bara viktigt för atomfysiken, men också för vår hälsa:när biologiskt material bestrålas, det interatomiska förfallet av coulomb kan bryta DNA -molekyler. Dessa resultat har nu publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Ihåliga atomer

Extrema miljöer skapas i laboratorierna vid TU Wien. I en jonfälla, stora mängder energi används för att riva ett stort antal elektroner ur sina atomer, lämnar högt laddade joner efter sig. När en sådan jon avfyras på en yta, den återfår sina elektroner, att dra dem bort från ytan. Dessa nya elektroner, dock, har mycket höga energier. De upptar de yttre elektronskal, långt bort från atomkärnan - medan i en normal atom, elektronerna tenderar att uppta de innersta elektronskal, där deras energi är låg. En atom, där många elektroner finns i de yttre elektronskal medan många inre elektrontillstånd är tomma, kallas en "ihålig atom".

"Så snart dessa ihåliga atomer kommer in i ett fast ämne, till exempel, när de tränger in i en tunn folie, deras elektroniska tillstånd ändras nästan omedelbart ", säger Richard Wilhelm, en forskare i professor Friedrich Aumayrs team vid TU Wien. "De mycket upphetsade elektronerna återgår till ett tillstånd av lägre energi. Och detta händer så snabbt att det under många år förblev ett mysterium, vilken process kan vara ansvarig för energioverföringen. "

"De vanliga mekanismerna som normalt gör att elektroner kan bli av med sin energi är alldeles för långsamma", säger Friedrich Aumayr. "Därför, olika ad-hoc-hypoteser har föreslagits för att förklara detta fenomen. Men ingen hade riktigt ett tillfredsställande svar. "

Xenon och grafen

Tillsammans med fysiker från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, beslöt wienergruppen att titta närmare. De använde mycket tunga joner - trettiofaldigt positivt laddade xenonatomer - och sköt dem på grafen, världens tunnaste material, bestående av endast ett lager kolatomer. Den tid det tar de laddade atomerna att passera grafen är bara en femtosekund, men denna ultrakortkontakt är tillräcklig för att helt förändra fördelningen av elektroner.

Experimentet visade att denna omfördelning beror på en effekt, som har ansetts vara ganska oviktigt - det interatomiska Coulomb -förfallet:energin hos en enda elektron överförs till flera andra elektroner i närliggande atomer. Den högladdade xenonatomen passerar genom grafenskiktet och kommer i kontakt med flera kolatomer samtidigt. Elektronens höga energi i xenonatomen överförs till flera elektroner i grafen som nu kan lämna sin plats och springa iväg - men bara med ganska låga energier.

Den låga energin hos de resulterande elektronerna är anledningen till att denna process spelar en intressant roll i biologin. Sådana interatomiska coulombförfall kan också inträffa vid joniserande strålning (eftersom den används vid cancerterapi, när patienter bestrålas med gammastrålning, joner eller elektroner) tar bort en inre elektron från en atom och lämnar atomen i ett mycket upphetsat ("ihåligt") tillstånd. Även i så fall, energin kan fördelas över flera angränsande atomer, och många långsamma elektroner avges. Detta kan leda till enkel- eller dubbelsträngsavbrott i DNA-molekyler. I normal mänsklig vävnad, detta kan orsaka ärftliga defekter eller cancer, men i strålterapi, denna typ av DNA -skada kan vara mycket effektiv för att förstöra cancerceller.

Dessa nya insikter om den viktiga rollen för det interatomiska förfallet i coulomb i ihåliga atomer öppnar nya sätt att studera denna effekt och få nya insikter som är relevanta för medicin och biologi.