El fenómeno de emisión criogénica de electrones no tiene explicación física conocida

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Emisión criogénica de electrones

En la emisión criogénica de electrones, al principio, cuando al temperatura baja, el índice oscuro baja. Pero aproximadamente a 220 K, el índice oscuro se estabiliza y, con mayor enfriamiento, aumenta de nuevo. Crédito de la imagen: Meyer.

A temperaturas muy bajas, en ausencia de luz, un fotomultiplicador emitirá espontáneamente electrones aislados. El fenómeno, conocido como “emisión criogénica de electrones”, se observó por primera vez hace casi 50 años. Aunque los científicos conocen unas pocas causas para la emisión de electrones sin luz (también llamado índice oscuro) – incluyendo el calentamiento, un campo eléctrico y la radiación por ionización – ninguno de ellos puede tenerse en cuenta para la emisión criogénica. Normalmente, los físicos consideran estos eventos de electrones oscuros poco deseables, dado que el propósito de un fotomultiplicador es detectar fotones produciendo los electrones respectivos como resultado del efecto fotoeléctrico.

En un reciente estudio, Hans-Otto Meyer, profesor de física en la Universidad de Indiana, ha investigado más en detalle la emisión criogénica de electrones realizando experimentos que demuestran cómo los electrones disparados se distribuyen en el tiempo. Sus resultados revelan que los electrones se emiten en ráfagas que se suceden de forma aleatoria, aunque dentro de una ráfada los electrones se emiten de una peculiar forma correlada. Sugiere que las correlaciones indican algún tipo de mecanismo de atrapamiento, pero el inusual comportamiento es inconsistente con cualquier proceso de emisión espontánea actualmente conocido. Al menos por el momento, no parece haber una explicación física paa las observaciones.

“La emisión criogénica es un fenómeno físico que desafía cualquier explicación”, dijo Meyer a PhysOrg.com. “La física responsable del mismo puede, o no, ser fundamental, sólo el futuro lo dirá. Los fotomultiplicadores ofrecen el entorno en el que puede observarse el fenómeno, pero tengo dudas de que mi trabajo sea de gran relevancia para los usuarios de fotomultiplicadores”.

En sus experimentos, Meyer colocó un fotomultiplicador dentro de un contenedor vacío, el cual sumergió entonces en nitrógeno o helio líquido. Usando el enfriamiento por radiación, enfrió el fotomultiplicador a una temperatura de 80 K (-193° C) tras un día, y a 4 K (-269° C) en otro día. Con esta configuración, pudo detectar eventos oscuros criogénicos, que se ha demostrado que son causados por los electrones aislados emitidos desde el cátodo del fotomultiplicador.

Como han demostrado anteriores investigaciones, empezando desde la temperatura ambiente, el índice oscuro desciende, pero sólo hasta un punto. Por debajo de aproximadamente 220 K (-53° C), el nivel oscuro se equilibra. Con un mayor enfriamiento, empieza a aumentar, y continúa subiendo hasta al menos los 4 K (-269° C), la temperatura más baja para la que Meyer tiene datos. La mayor parte de los experientos de Meyer fueron realizados a unos 80 K (-193° C).

En sus experimentos, Meyer encontró que los electrones se emiten en “ráfagas” – numerosos disparos de electrones que se suceden próximos en el tiempo. Aunque estas ráfagas tienen lugar aleatoriamente, tienen distinta duración temporal, siguiendo su distribución de duración una ley exponencial. Además, Meyer encontró que los eventos de disparo individual dentro de una ráfaga están altamente correlados. Específicamente, en una ráfaga, los primeros eventos ocurren rápidamente, y se hacen menos frecuentes conforme se “apaga” la ráfaga.

Tal vez esta última observación sobre intervalos progresivamente más largos entre los eventos de disparo dentro de una ráfaga, es lo más interesante. Meyer sugiere que esta peculiar distribución de eventos podría ser el resultado de un mecanismo de atrapamiento. Si cae en una trampa, un electrón podría salir de la misma (para ser observado como un evento oscuro) o recombinarse con un hueco de electrones. Cuando una trampa de electrones se vacía, el ritmo de emisión sería proporcional al número de electrones que quedan en la trampa. Este escenario podría, posiblemente, explicar la salida inicial a borbotones en la ráfaga, seguido por unos pocos restos que se van desgranando.

De acuerdo con anteriores observaciones de las correlaciones entre temperatura e índice oscuro, los ritmos de emisión de electrones en los experimentos de Meyer también se vieron afectados por la temperatura. Cuando la temperatura cae, tanto el ritmo de ráfagas como el número de eventos por ráfaga aumenta. Esta observación de que el ritmo de emisión aumenta cuando baja la temperatura encaja bien con la hipótesis de la trampa, en la que sería la consecuencia de una recombinación menos importante, dando como resultado más electrones saliendo de la trampa.

Como señala Meyer, un proceso que se hace más probable cuando baja la temperatura como sucede en la emisión criogénica de electrones, es muy inusual en la física. Entre sus observaciones más interesantes están que el ritmo de emisión criogénica no depende de si el dispositivo se está enfriando o calentando, sino sólo de la temperatura actual. En general, las propiedades de la emisión criogénica de electrones, no encajan con otros procesos de emisión espontánea conocidos, incluyendo la emisión térmica, la emisión de campo, la radiactividad o la radiación penetrante como la de los rayos cósmicos. Por ejemplo, al contrario que en los procesos bien conocidos de emisión de campo y la termoiónica, la emisión criogénica no depende del campo eléctrico en la superficie emisora. Al menos por ahora, el fenómeno de la emisión criogénica de electrones sigue siendo un misterio.

“La naturaleza a temperaturas muy bajas tiene una gran cantidad de sorpresas bajo la manga”, comenta Meyer. “No quiero especular sobre cuál resultará ser la explicación de la emisión criogénica, pero no me sorprendería si la estructura de banda de los semiconductores desempeña un papel importante”.

Añade que su siguiente paso será investigar cómo de universal es el efecto.

“¿Hay emisión criogénica en otras superficies aparte del cátodo de un fotomultiplicador?”, pregunta. “Esta es la siguiente pregunta a contestarse mediante experimentos. Con suerte pronto tendremos modelos teóricos que lleven a predicciones que puedan ser comprobadas en experimentos futuros”.


Más información: H. O. Meyer. “Spontaneous electron emission from a cold surface.” Europhysics Letters, 89 (2010) 58001. Doi:10.1209/0295-5075/89/58001

Autor: Lisa Ziga
Fecha Original: 10 de marzo de 2010
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