i materiali porosi, costituiti principalmente da schiume porose, possono arrestare fasci di elettroni ad alta corrente in modo molto più efficace

Quando i fisici sparano fasci di elettroni veloci contro i materiali, spesso hanno bisogno di sapere esattamente quanta energia perderanno questi elettroni durante il loro percorso. Attraverso una nuova ricerca pubblicata su Physical Review Letters , un team guidato da Ke Jiang presso la Shenzhen Technology University in Cina ha scoperto che i materiali porosi, costituiti principalmente da schiuma vuota, possono arrestare fasci di elettroni ad alta corrente in modo molto più efficace rispetto ai materiali più densi, ribaltando molte delle precedenti ipotesi su come questi fasci interagiscono con i materiali solidi.

Gestione delle perdite di energia

Quando un fascio di elettroni attraversa un solido, la sua energia viene dispersa a causa delle collisioni con gli atomi e gli elettroni già presenti nel materiale. Tuttavia, quando i fasci di elettroni sono attraversati da correnti estremamente intense, che spingono gli elettroni a viaggiare a velocità prossime a quella della luce, le singole collisioni non sono più il fattore dominante.

Al contrario, il fascio genera potenti campi elettromagnetici durante il suo movimento, che ne influenzano la propagazione e la perdita di energia. In campi che spaziano dalla fusione nucleare allo studio degli interni planetari, per i fisici è spesso fondamentale gestire questa perdita di energia nel modo più preciso possibile.

I fasci di elettroni incontrano la schiuma

Per studiare come i materiali porosi influenzano questo processo, il team di Jiang ha iniziato generando fasci di elettroni utilizzando l’impianto laser ad alta potenza XingGuang-III in Cina e dirigendoli verso due diversi campioni di schiuma.

Una delle schiume era estremamente rarefatta, composta principalmente da pori vuoti, mentre l’altra era circa 40 volte più densa. Registrando gli elettroni che emergevano dalla parte posteriore di ciascun campione, i ricercatori sono stati in grado di misurare quanti elettroni erano stati fermati o dispersi.

Aspettative contrastanti

Sorprendentemente, hanno scoperto che la schiuma a bassa densità fermava e disperdeva molti più elettroni rispetto alla sua controparte più densa. L’energia persa all’interno del materiale rarefatto era di ordini di grandezza superiore a quanto previsto dalle teorie standard.

Per comprenderne il motivo, il team ha eseguito simulazioni dettagliate che hanno rivelato il meccanismo: le correnti elettriche che scorrono attraverso i filamenti solidi della struttura scheletrica della schiuma generano intensi campi magnetici all’interno dei pori. Questi campi deviano, disperdono e intrappolano gli elettroni del fascio, producendo un arresto di gran lunga maggiore di quanto la piccola quantità di materiale solido presente lascerebbe supporre.

Implicazioni per la fisica reale

I risultati del team potrebbero aprire una nuova e potente strada per controllare dove e come i fasci di elettroni depositano la loro energia. Nella fusione a confinamento inerziale, dove i laser comprimono e riscaldano una pastiglia di combustibile per innescare la fusione nucleare, la gestione del deposito di energia del fascio di elettroni sarebbe fondamentale per rendere il processo più efficiente.

In altri contesti, lo stesso controllo potrebbe essere sfruttato per creare sorgenti compatte e luminose di raggi X o raggi gamma, utili per studiare stati estremi della materia presenti all’interno delle stelle o nei nuclei planetari. Modificando la microstruttura della schiuma, i ricercatori ritengono che in futuro sarà possibile programmare il comportamento di un fascio, depositando energia esattamente dove è necessaria.

Astratto

La perdita di energia degli elettroni veloci nei materiali è un processo fondamentale in molti campi, tra cui la ricerca sulla fusione, la fisica delle alte densità di energia, l’astrofisica e la scienza dei materiali. Contrariamente alla teoria collisionale convenzionale, che prevede una maggiore perdita di energia nei materiali più densi, osserviamo sperimentalmente un fenomeno anomalo: fasci di elettroni ad alta densità di corrente subiscono una deflessione e un arresto significativamente maggiori in schiume porose a bassa densità media rispetto alle loro controparti più dense. Simulazioni risolte a livello dei pori e analisi teoriche dimostrano che le correnti di ritorno lungo lo scheletro della schiuma generano campi magnetici di diversi kilotesla nei pori del vuoto. Questi campi intensi disperdono fortemente gli elettroni del fascio, aumentando l’arresto di ordini di grandezza rispetto alle previsioni collisionali. Le condizioni derivate per questo arresto anomalo concordano con esperimenti e simulazioni, stabilendo un nuovo regime di interazione fascio-materia mediato dalla microstruttura, con potenziali applicazioni nel controllo dei fasci carichi per la fusione e l’astrofisica di laboratorio.

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