Descubren un mecanismo inédito en colisiones ion-molécula con aplicaciones en fusión nuclear y fotolitografía
Un equipo internacional coliderado por la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha identificado un mecanismo inesperado en colisiones de baja energía entre iones de estaño triplemente cargados (Sn³⁺) y moléculas de hidrógeno (H₂). Este descubrimiento, publicado en Physical Review Letters, podría tener aplicaciones clave en la fotolitografía en ultravioleta extremo (EUV) y en la contención de plasmas en reactores de fusión nuclear tipo Tokamak.
Un mecanismo sincrónico que desafía los modelos clásicos
El estudio ha revelado que la captura doble de electrones (DEC), un proceso esencial para reducir la carga de los iones en entornos de plasma, ocurre con una eficiencia mucho mayor de lo esperado. A pesar de la barrera energética de 6 eV que presentan estas colisiones, los experimentos han mostrado secciones eficaces sorprendentemente altas (10⁻¹⁵ cm²).
Según los investigadores, este fenómeno se debe a un proceso en dos etapas. Primero, el ion Sn³⁺ captura un electrón de H₂ a grandes distancias, generando un catión molecular H₂⁺. Luego, el ion Sn²⁺ recién formado interfiere en la reconfiguración geométrica de H₂⁺ y captura el segundo electrón. Esta sincronización entre la dinámica molecular y la trayectoria del ion es clave para la alta eficiencia del proceso.
Impacto en tecnologías de vanguardia
El hallazgo tiene implicaciones directas en sectores tecnológicos avanzados. En la fotolitografía EUV, donde los plasmas de estaño se utilizan como fuente de luz, la presencia de iones altamente cargados puede dañar los sistemas ópticos. Reducir la carga de estos iones mediante DEC podría mejorar la estabilidad del plasma y la eficiencia del proceso.
Asimismo, en reactores de fusión nuclear como los Tokamak, el control de los plasmas es fundamental para el confinamiento energético. La DEC proporciona una vía para manipular la carga de los iones en estos sistemas, optimizando su comportamiento y reduciendo posibles daños en los equipos.
Simulaciones y validación experimental
Para analizar este fenómeno, los investigadores combinaron experimentos de haces cruzados con simulaciones cuánticas. Los resultados mostraron que la eficiencia del DEC aumenta a medida que disminuye la energía de la colisión, un comportamiento contrario a lo predicho por los modelos tradicionales. A altas energías, el desacoplamiento entre la vibración molecular y el movimiento del ion reduce la eficacia del proceso.
El estudio abre nuevas perspectivas en la comprensión de las colisiones ion-molécula en sistemas endoérgicos y podría extenderse a otros gases moleculares como el deuterio (D₂), que podría requerir menores energías para lograr efectos similares.
Con estos hallazgos, la física atómica y molecular da un paso adelante en la optimización de procesos tecnológicos clave, desde la producción de chips hasta el desarrollo de energías limpias basadas en fusión nuclear.
