Les "atomes creux", qui sont produits dans les laboratoires de TU Wien (Vienne) sont des objets assez exotiques. Leurs électrons sont dans un état d'énergie extrêmement élevée (appelés états de Rydberg), mais quand ils sont tournés à travers un autre matériau, ils peuvent se débarrasser de cette énergie en quelques femtosecondes (millionièmes de milliardième de seconde).

Pendant longtemps, les physiciens ont spéculé sur la façon dont ce processus peut être si rapide. Des expériences avec des ions xénon et du graphène ont maintenant montré que la raison en est un effet qui a été énormément sous-estimé :la soi-disant « désintégration de Coulomb interatomique ». L'étude de cet effet n'est pas seulement importante pour la physique atomique, mais aussi pour notre santé :lorsque du matériel biologique est irradié, la désintégration de Coulomb interatomique peut fracturer des molécules d'ADN. Ces résultats sont maintenant publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Atomes creux

Les environnements extrêmes sont créés dans les laboratoires de la TU Wien. Dans un piège à ions, de grandes quantités d'énergie sont utilisées pour arracher un grand nombre d'électrons de leurs atomes, laissant derrière eux des ions hautement chargés. Lorsqu'un tel ion est tiré sur une surface, il retrouve ses électrons, les éloigner de la surface. Ces nouveaux électrons, cependant, ont de très hautes énergies. Ils occupent les couches externes d'électrons, loin du noyau atomique - alors que dans un atome normal, les électrons ont tendance à occuper les couches électroniques les plus internes, où leur énergie est faible. Un atome, dans lequel de nombreux électrons sont situés dans les couches électroniques externes tandis que de nombreux états électroniques internes sont vides, est appelé un « atome creux ».

"Dès que ces atomes creux entrent dans un solide, par exemple, quand ils pénètrent dans une fine feuille, leur état électronique change presque instantanément", dit Richard Wilhelm, un scientifique dans l'équipe du professeur Friedrich Aumayr à la TU Wien. "Les électrons hautement excités retournent à un état d'énergie inférieure. Et cela se produit si vite que pendant de nombreuses années, cela est resté un mystère, quel processus peut être responsable de ce transfert d'énergie."

"Les mécanismes habituels qui permettent normalement aux électrons de se débarrasser de leur énergie sont beaucoup trop lents", dit Friedrich Aumayr. "Par conséquent, différentes hypothèses ad hoc ont été proposées pour expliquer ce phénomène. Mais personne n'a vraiment eu de réponse satisfaisante."

Xénon et graphène

En collaboration avec des physiciens du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, l'équipe viennoise a décidé de regarder de plus près. Ils ont utilisé des ions très lourds - des atomes de xénon chargés positivement trente fois - et les ont tirés sur du graphène, le matériau le plus fin du monde, constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. Le temps qu'il faut aux atomes chargés pour traverser le graphène n'est que d'une femtoseconde, mais ce contact ultracourt suffit à changer complètement la répartition des électrons.

L'expérience a montré que cette redistribution est due à un effet, qui a été considérée comme peu importante - la désintégration de Coulomb interatomique :l'énergie d'un seul électron est transférée à plusieurs autres électrons d'atomes voisins. L'atome de xénon très chargé traverse la couche de graphène et entre en contact avec plusieurs atomes de carbone en même temps. La haute énergie d'un électron dans l'atome de xénon est transmise à plusieurs électrons dans le graphène qui peuvent maintenant quitter leur place et s'enfuir - mais seulement avec des énergies assez faibles.

La faible énergie des électrons résultants est la raison pour laquelle ce processus joue un rôle intéressant en biologie. De telles désintégrations de coulomb interatomiques peuvent également se produire lorsque les rayonnements ionisants (tels qu'ils sont utilisés dans le traitement du cancer, lorsque les patients sont irradiés par des rayons gamma, ions ou électrons) supprime un électron interne d'un atome et laisse l'atome dans un état hautement excité ("creux"). Dans ce cas aussi, l'énergie peut être répartie sur plusieurs atomes voisins, et de nombreux électrons lents sont émis. Cela peut conduire à des cassures simple ou double brin dans les molécules d'ADN. Dans les tissus humains normaux, cela peut provoquer des malformations héréditaires ou un cancer, mais en radiothérapie, ce type de dommages à l'ADN peut être très efficace pour détruire les cellules cancéreuses.

Ces nouvelles connaissances sur le rôle important de la désintégration de coulomb interatomique dans les atomes creux ouvrent de nouvelles voies pour étudier cet effet et acquérir de nouvelles connaissances pertinentes pour la médecine et la biologie.