Um grupo de pesquisadores liderados por Cornell no Center for Bright Beams desenvolveu uma nova abordagem teórica para calcular como os átomos se espalham nas superfícies. O método, desenvolvido pelo recentemente conferido Ph.D. em física pela Cornell. Michelle Kelley e seus colaboradores e publicado em Physical Review Letters , é o primeiro método para calcular explicitamente as interações entre um átomo espalhado e uma superfície diretamente a partir dos primeiros princípios.



Para entender a superfície de um material, você poderia usar um feixe de elétrons ou raios X para sondar a superfície, mas isso danificaria o material. Durante anos, os pesquisadores têm sondado superfícies de materiais cristalinos usando a dispersão de feixes de moléculas fora da superfície. Em particular, o hélio é adequado para esta tarefa porque é capaz de fornecer resolução em escala atômica em baixas energias. No entanto, os modelos que os investigadores usaram para compreender as propriedades dos materiais desta forma são falhos.

Quando o hélio se espalha de uma superfície, ele dispersa a densidade de elétrons livres do material, em vez de penetrar na superfície do material, não deixando nenhum dano e, ao mesmo tempo, excitando vibrações úteis na superfície. Isso torna os feixes de hélio potencialmente muito úteis para a compreensão das características superficiais dos materiais no nível molecular.

"Ao contrário da dispersão de elétrons ou raios X, os feixes atômicos e moleculares são sondas de superfície não destrutivas que permitem investigações de amostras cada vez mais sensíveis e delicadas, ampliando os limites científicos dos tipos de superfície que podem ser examinados de forma viável", disse Kelley.

No entanto, para que a dispersão de átomos seja útil, previsões teóricas precisas das assinaturas de dispersão são fundamentais. Até à data, estes modelos preditivos têm sido simplificados ou enganadores. Kelley e seu grupo apresentaram um novo método de espalhamento de predição que fornece uma abordagem totalmente ab initio, ou desde o início, para orientar o espalhamento de feixe atômico não destrutivo, como o espalhamento de átomo de hélio.

"Podemos agora, pela primeira vez, calcular teoricamente, sem quaisquer entradas ou suposições externas, como os átomos de hélio depositam energia num material quando ricocheteiam na sua superfície", disse Tomás Arias, professor de física na Faculdade de Artes e Sciences (A&S), que dirigiu e supervisionou a pesquisa.

O grupo de Kelley usou as interações superficiais de um feixe de hélio com uma superfície de nióbio para capturar como a dispersão de átomos e a excitação de fônons interagiam entre si. Isto permitiu-lhes criar esta nova teoria preditiva que mudará a forma como os investigadores modelam a estrutura da superfície. Embora a teoria tenha sido desenvolvida usando um feixe de hélio e nióbio, ela geralmente pode ser aplicada a outras combinações átomo-superfície.

"Nossa nova abordagem teórica produz resultados de alta precisão, pois evita completamente modelos não confiáveis ​​e o ajuste associado de parâmetros que eram necessários em abordagens semi-empíricas anteriores", disse Kelley. "Melhorar a precisão das previsões teóricas deste tipo ajudará a orientar e interpretar experimentos de próxima geração que usam o espalhamento de feixe atômico como uma sonda não destrutiva de propriedades de superfícies sensíveis."

"Este resultado ajudará a melhorar a nossa compreensão de como os electrões e os átomos interagem num material," disse Arias, "lançando luz sobre fenómenos importantes, incluindo a supercondutividade, guiando tais experiências e melhorando a sua interpretação."

Mais informações: Michelle M. Kelley et al, Abordagem totalmente ab initio para espalhamento inelástico de superfície de átomo, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.016203
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pela Universidade Cornell