Des ions moléculaires éjectés : une première mondiale

Le positron, antiparticule de l’électron, est un sujet de fascination pour les scientifiques. Sa masse et sa charge sont identiques à celles de l’électron, mais avec une inversion de signe pour la charge.

L’utilisation des positrons a conduit à des découvertes et développements significatifs dans divers domaines tels que la physique des particules élémentaires, la physique atomique, la science des matériaux, l’astrophysique et la médecine. Par exemple, les positrons sont connus pour être des composants de l’antimatière.

Ils sont également efficaces pour détecter les défauts de réseau dans les solides et les semi-conducteurs et pour l’analyse structurale de la surface supérieure des cristaux.

Les composés positroniques

Les composés positroniques, c’est-à-dire les états liés des positrons avec des atomes, des molécules ou des ions réguliers, représentent un aspect intrigant des interactions positron-matière. Ils ont été étudiés expérimentalement par l’observation de l’annihilation de positrons dans les gaz. Il pourrait être possible de générer de nouvelles molécules et ions via la formation de composés positroniques, mais aucune recherche n’a jamais été menée dans cette perspective.

Explorer les interactions entre les positrons et les cristaux ioniques

Face à ce constat, une équipe de recherche, comprenant le professeur Yasuyuki Nagashima de l’Université des Sciences de Tokyo (TUS), au Japon, a récemment trouvé une manière innovante d’explorer les interactions entre les positrons et les cristaux ioniques.

Les chercheurs ont utilisé une technique basée sur un phénomène bien connu résultant du bombardement d’un solide avec un faisceau d’électrons. « Il est depuis longtemps connu que lorsque des électrons sont injectés dans une surface solide, les atomes qui composent la surface sont éjectés sous forme d’ions positifs monoatomiques », explique le Dr. Tachibana.

Ce processus, connu sous le nom de désorption stimulée par les électrons, a motivé l’équipe à explorer ce qui se passerait si un cristal était plutôt bombardé de positrons.

Expérimentation et résultats

Dans leurs expériences, les chercheurs ont tiré soit un faisceau de positrons, soit un faisceau d’électrons sur la surface (110) d’un cristal de fluorure de lithium (LiF). En utilisant des champs électriques soigneusement placés générés par des déflecteurs, ils ont contrôlé les énergies incidentes des particules chargées.

De plus, les déflecteurs leur ont permis de rediriger les ions désorbés du cristal vers un détecteur d’ions. Les signaux détectés ont ensuite été utilisés pour effectuer une analyse spectroscopique afin d’identifier la composition précise des ions désorbés.

Des ions moléculaires éjectés par irradiation de positrons

Ils ont constaté que lorsque le cristal de LiF était irradié avec des électrons, seuls les ions monoatomiques attendus, à savoir Li+, F+ et H+ (en raison des gaz résiduels dans la chambre expérimentale) étaient détectés.

L’injection du cristal avec des positrons a conduit à la détection d’ions moléculaires de fluorure positif (F2+) et d’ions de fluorure d’hydrogène positif (FH+). Notamment, c’est le premier rapport d’ions moléculaires étant éjectés suite à une irradiation de positrons.

En synthèse

Après une analyse et une expérimentation plus poussées, les chercheurs ont développé un modèle de désorption pour expliquer leurs observations. Selon ce modèle, lorsque des positrons sont injectés dans un solide, certains d’entre eux reviennent à la surface après avoir perdu leur énergie. Dans le cas des cristaux de LiF, ces positrons peuvent attirer deux ions négatifs de fluor voisins sur la surface pour former un composé positronique.

Si le positron lié s’annihile avec l’un des électrons de cœur de l’ion de fluor, un type spécial d’électron, connu sous le nom d’électron Auger, est émis, entraînant un échange de charge et la génération d’un ion moléculaire F2+ positif. Cet ion est expulsé du cristal par les forces de répulsion des ions Li+ voisins.

Les résultats de cette étude pourraient approfondir notre compréhension des interactions matière-antimatière.

«La stabilité et les propriétés de liaison des composés positroniques offrent des perspectives uniques sur l’interaction des antiparticules avec des substances ordinaires, ouvrant la voie à de nouvelles investigations dans le domaine de la chimie quantique», remarque le Dr. Tachibana. «La méthode proposée pourrait ainsi ouvrir la voie à la génération de nouveaux ions moléculaires et molécules à l’avenir.»

Notamment, l’approche pourrait être utilisée dans de nombreux domaines appliqués. En science des matériaux, elle pourrait être utilisée pour modifier la surface des matériaux et étudier leurs propriétés avec une précision sans précédent. D’autres applications potentielles incluent la thérapie contre le cancer, l’informatique quantique, le stockage d’énergie et les dispositifs électroniques de nouvelle génération.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un positron ?

Le positron est l’antiparticule de l’électron. Il a la même masse et la même charge que l’électron, mais avec le signe inversé pour la charge. Les positrons sont connus pour être des composants de l’antimatière et sont utilisés dans divers domaines tels que la physique des particules élémentaires, la physique atomique, la science des matériaux, l’astrophysique et la médecine.

Qu’est-ce qu’un composé positronique ?

Les composés positroniques sont des états liés des positrons avec des atomes, des molécules ou des ions réguliers. Ils représentent un aspect intrigant des interactions positron-matière et ont été étudiés expérimentalement par l’observation de l’annihilation de positrons dans les gaz.

Explorer les interactions entre les positrons et les cristaux ioniques ?

Une équipe de recherche a récemment trouvé une manière innovante d’explorer les interactions entre les positrons et les cristaux ioniques. Leur travail a impliqué des efforts collaboratifs du Dr. Takayuki Tachibana, ancien assistant professeur à TUS et actuellement affilié à l’Université Rikkyo, et de M. Daiki Hoshi, ancien étudiant en master à TUS.

Qu’est-ce que le processus de désorption stimulée par les électrons ?

Le processus de désorption stimulée par les électrons est un phénomène bien connu résultant du bombardement d’un solide avec un faisceau d’électrons. Lorsque des électrons sont injectés dans une surface solide, les atomes qui composent la surface sont éjectés sous forme d’ions positifs monoatomiques.

Quels sont les résultats de l’expérimentation ?

Les chercheurs ont constaté que lorsque le cristal de LiF était irradié avec des électrons, seuls les ions monoatomiques attendus, à savoir Li+, F+ et H+ (en raison des gaz résiduels dans la chambre expérimentale) étaient détectés. Cependant, l’injection du cristal avec des positrons a conduit à la détection d’ions moléculaires de fluorure positif (F2+) et d’ions de fluorure d’hydrogène positif (FH+). Notamment, c’est le premier rapport d’ions moléculaires étant éjectés suite à une irradiation de positrons.

Leur travail, publié dans Physical Review Letters, a impliqué des efforts collaboratifs du Dr. Takayuki Tachibana, ancien assistant professeur à TUS et actuellement affilié à l’Université Rikkyo, et de M. Daiki Hoshi, ancien étudiant en master à TUS.

Article : « Molecular ion desorption from LiF(110) surfaces by positron annihilation » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.143201