Una burbuja de electrones es el espacio vacío que se crea alrededor de un electrón libre en un gas o líquido criogénico, como el neón o el helio . Suelen ser muy pequeñas, de unos 2 nm de diámetro a presión atmosférica.
A temperatura ambiente, los electrones de los gases nobles se mueven libremente, limitados únicamente por las colisiones con los átomos que interactúan débilmente. Su movilidad , que depende de la densidad y la temperatura del gas, está bien descrita por la teoría cinética clásica . A medida que baja la temperatura, la movilidad de los electrones disminuye, ya que los átomos de helio se ralentizan a menor temperatura y no interactúan con los electrones con tanta frecuencia. [1]
Por debajo de una temperatura crítica, la movilidad de los electrones cae rápidamente a un valor muy inferior al esperado clásicamente. Esta discrepancia condujo al desarrollo de la teoría de la burbuja electrónica. [2] A bajas temperaturas, los electrones inyectados en helio líquido no se mueven libremente como se podría esperar, sino que forman pequeñas burbujas de vacío a su alrededor.
Los electrones son atraídos por el helio líquido debido a la diferencia en las constantes dieléctricas entre la fase gaseosa y líquida del helio. El electrón negativo polariza el helio en la superficie, lo que genera una carga de imagen que lo une a la superficie . El electrón tiene prohibido entrar en el líquido por la misma razón por la que los átomos de hidrógeno son estables: la mecánica cuántica . El electrón y la carga de imagen forman un estado ligado , al igual que un electrón y un protón lo hacen en un átomo de hidrógeno, con una separación media mínima. En este caso, la energía mínima es de aproximadamente 1 eV (una cantidad moderada de energía a escala atómica)[3].
Cuando un electrón es forzado a entrar en helio líquido en lugar de flotar en su superficie, forma una burbuja en lugar de entrar en el líquido. El tamaño de esta burbuja está determinado por tres factores principales (ignorando pequeñas correcciones): el término de confinamiento, el término de tensión superficial y el término de presión-volumen. El término de confinamiento es puramente mecánico cuántico, ya que siempre que un electrón está fuertemente confinado, su energía cinética aumenta. El término de tensión superficial representa la energía superficial del helio líquido; esto es exactamente como el agua y todos los demás líquidos. El término de presión-volumen es la cantidad de energía necesaria para empujar el helio fuera de la burbuja.[4]
Aquí E es la energía de la burbuja, h es la constante de Planck , m es la masa del electrón , R es el radio de la burbuja, α es la energía superficial y P es la presión ambiental.
Se ha realizado una predicción teórica basada en el análisis de la ecuación anterior [5]: la burbuja de electrones 2S exhibe una inestabilidad morfológica sorprendente en un amplio rango de presiones ambientales. Si bien su función de onda es esférica, la forma estable de la burbuja no es esférica.
