Descubren un mecanismo inesperado en colisiones ion-molécula

Un equipo internacional co-liderado desde la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha identificado un mecanismo inesperado que explica la alta eficiencia en la captura doble de electrones (DEC) en colisiones de baja energía entre iones de estaño triplemente cargados (Sn³⁺) y moléculas de hidrógeno (H₂). 

A pesar de que estas reacciones son endoérgicas y presentan una barrera energética de 6 eV, los experimentos revelaron secciones eficaces sorprendentemente altas (10⁻¹⁵ cm²).  Según el estudio, publicado en Physical Review Letters, este fenómeno se debe a un proceso secuencial y sincrónico entre el ion y la molécula.

Estos resultados tienen implicaciones significativas en áreas como la fotolitografía en el ultravioleta extremo (EUV) y la contención de plasmas en reactores Tokamak, donde los plasmas de estaño son esenciales. En estos entornos se encuentran iones de estaño altamente cargados que dañan los sistemas ópticos. Reducir la carga de los iones es crucial para proteger equipos y mejorar la estabilidad del plasma. La DEC facilita esta transformación al convertir iones Sn³⁺ en Sn⁺. 

Utilizando un enfoque combinado de experimentos de haces cruzados y simulaciones cuánticas, los investigadores analizaron las dinámicas electrónicas y nucleares del sistema. Los datos mostraron que las secciones eficaces de DEC aumentan conforme disminuye la energía de la colisión, un comportamiento que desafía las predicciones convencionales.

Un mecanismo secuencial y sincrónico

El estudio propone que el DEC ocurre en dos etapas. En la primera, el ion Sn³⁺ captura un electrón de H₂ a grandes distancias, generando un catión molecular H₂⁺ que queda fuera de su geometría de equilibrio. En la segunda, el ion Sn²⁺ recién formado interactúa con H₂⁺, interfiriendo en su reconfiguración geométrica y capturando el segundo electrón. Este proceso requiere una coordinación precisa entre la trayectoria del ion y la dinámica nuclear de la molécula.

Las simulaciones mostraron una fuerte concordancia con los datos experimentales, capturando tanto la magnitud como la dependencia energética de las secciones eficaces. A altas energías, el DEC pierde eficiencia debido al desacoplamiento entre la vibración molecular y el movimiento del ion.

Este trabajo introduce un marco conceptual novedoso para entender las colisiones ion-molécula en sistemas endoérgicos, destacando la importancia de la sincronización entre la dinámica nuclear y las trayectorias de los iones. Se espera que el comportamiento de la DEC dependa de la naturaleza del gas molecular, como en el caso del deuterio (D₂), que podría requerir menores energías para lograr resultados similares.

Estos hallazgos no solo amplían el entendimiento de las colisiones a baja energía, sino que también ofrecen herramientas para optimizar procesos en tecnologías basadas en plasmas y para diseñar experimentos más precisos en física atómica y molecular.

_____________________

Referencia bibliográfica:

Oltra, L., Méndez, L., Rabadán, I., Bijlsma, K., de Wit, E., & Hoekstra, R. (2025). Sequential synchronous mechanism for double-electron capture: Insights into unforeseen large cross sections in low-energy Sn³⁺+H₂ collisions. Physical Review Letters, 134(9), 093002. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.093002

Más cultura científica en UAM Gazette