Magyar Tudományos Akadémia
Atommagkutató Intézet

Ionok dinamikája mikroszkopikus szerkezetekben

Témavezető
E-mail cím
Kutatási terület Atomfizikai alapkutatás
Kutatásban résztvevők
Publikációk
Kivonat

Nemrég fedezték fel, hogy nagytöltésű ionok képesek szigetelő nanokapillárisok kötegein azok irányába terelődve áthaladni. Ezt a hosszú csatornák falaira lerakódott töltések okozzák. A jelenség önszervező módon jön létre, ennek törvényszerűségeit és alkalmazhatóságát tanulmányozzuk.

Leírás

            Mikor ionok kölcsönhatásba lépnek szilárd testek felületével számos jelenség fellép. Az ionok a felület közelébe érve elektronokat fognak be magasan gerjesztett állapotokba és úgynevezett üreges atomok jönnek létre. A szilárd testbe becsapódva azonban ezek szerkezete megváltozik. Vékony fém fóliákban létrehozott kapillárisok és ionok kölcsönhatását azért kezdték el vizsgálni, mert az ionok a kapillárisok felületének közvetlen közelébe érhetnek a kijáratnál anélkül, hogy később becsapódnának, lehetőséget adva szabad üreges atomok tanulmányozására. Mikor Berlinben szigetelő polietilén-teraftalát fóliákban kialakított kapillárisokkal kezdtek el kísérletezni meglepődve tapasztalták, hogy az ionok még akkor is átjutnak a kapillárisokon nagy számban mikor a kapillárisok tengelyei nagyobb szöget zárnak be az ionnyaláb tengelyével, mint a kapillárisok nyílásszöge. A nagymértékű áteresztés a kapillárisok hosszúkás alakja miatt is meglepő, a hossz – átmérő arány kb. 100. Az átjutott ionok többsége megtartotta eredeti töltésállapotát, ami azt mutatja, hogy nem kerültek a felület közelébe. A jelenséget a kapillárisok falának elektromos feltöltődése okozza. Kezdetben az ionok becsapódnak a felületbe és lerakják elektromos töltésüket, feltöltött szigetet hozva létre a kapillárisok felületén. Ez a későbbiekben az elektrosztatikus taszítás révén megakadályozza, hogy további ionok a felület közelébe jussanak, azok kapillárisok kijáratába vagy szemközti oldalára terelődnek. A szemközti oldalon a folyamat megismétlődik, így egy vagy több ilyen terelődés után az ionok nagy valószínűséggel kijuthatnak a kijáraton a kapilláris tengelyéhez közeli irányban. A többszörös terelődés miatt a kijutó ionok átlagos szöge kissé oszcillál a kapilláris dőlésszöge körül. 

            Ezen szögoszcillációkat nemrégen figyelték meg, ami kísérleti bizonyítékot adott a feltöltött szigetek kialakulására, amit korábban elméletileg megjósoltak. Az oszcillációk időben csillapodnak, ez azt mutatja összhangban az elmélettel, hogy a bejáratnál kialakuló elsődleges feltöltött sziget mellett a további másodlagos feltöltött szigetek szerepe idővel csökken, illetve el is tűnhetnek. Egy idő után egyensúly alakul ki: az átjutott ionok intenzitása és átlagos szöge állandósul a szimulációk szerint az első és egy gyengébb másodlagos sziget hatására. Ezt a viselkedést több különböző anyagnál megfigyelték, ami a jelenség önszervező jellegére utal. Ebben a szigetelők nemlineáris vezetőképessége nagymértékben szerepet játszik. A felületen felgyülemlett töltés növekedésével a kialakuló egyre nagyobb elektromos tér hatására a szigetelő felületén illetve anyagában elszivárgó áram ugrásszerűen megnövekszik, ami a felületre érkező további töltéseket a bejáratnál és kijáratnál lévő földelt fémrétegbe vezeti. Ez az esetek többségében megakadályozza, hogy a kapillárisban kialakuló potenciál egy adott érték fölé növekedjen, ami a kapillárisok elzáródását okozhatja.

            A vizsgálatok nagy része az ionok eredeti töltésállapotára korlátozódik. Az ennél alacsonyabb töltésállapotban átjutott ionok részaránya a mérések szerint csak néhány százalék. A tejesen semlegesített lövedékionok hasonló arányban vannak jelen, de mivel detektálásuk technikailag nehezebb, csak hozzávetőleges adatok vannak. Az ATOMKI-ban olyan mérési technikával, amivel az összes töltésállapotról egyszerre nyerhetünk információt az átjutott ionok és semlegesített lövedékek részletes vizsgálatát végezzük. Ezeket egy időben mérve teljesebb képet kaphatunk az ionterelés és semlegesítődés folyamatáról. A semleges részecskékre nem hat az elektromos tér, így a kapillárisokban egyenesen repülnek közvetlen információt szolgáltatva a keletkezésük helyéről.

                 Mindamellett, hogy az önszervező folyamat megértése egy érdekes fizikai probléma, jelenség alkalmazásokban is szerepet játszik. Például, elvékonyodó üvegkapillárisokat biológiai minták, sejtek ionbesugárzására használnak, hogy minták egy adott, kicsiny helyére irányítsák a sugársást. Antirészecske nyalábok sűrűségét is sikerült növelni szigetelő kapillárisokkal.