La espectroscopia de aniquilación de positrones (PAS) [1] o, a veces, denominada específicamente espectroscopia de tiempo de vida de aniquilación de positrones (PALS), es una técnica de espectroscopia no destructiva para estudiar huecos y defectos en sólidos. [2] [3]
La técnica se basa en el principio de que un positrón o positronio se aniquilará mediante la interacción con los electrones. Esta aniquilación libera rayos gamma que pueden detectarse; el tiempo transcurrido entre la emisión de positrones de una fuente radiactiva y la detección de rayos gamma debido a la aniquilación corresponde al tiempo de vida del positrón o positronio.
Cuando se inyectan positrones en un cuerpo sólido, interactúan de alguna manera con los electrones de esa especie. En el caso de los sólidos que contienen electrones libres (como metales o semiconductores ), los positrones implantados se aniquilan rápidamente a menos que existan huecos, como defectos de vacancia . Si hay huecos, los positrones residirán en ellos y se aniquilarán menos rápidamente que en la mayor parte del material, en escalas de tiempo de hasta ~1 ns. En el caso de los aislantes, como los polímeros o las zeolitas , los positrones implantados interactúan con los electrones del material para formar positronio.
El positronio es un estado metaestable similar al hidrógeno de un electrón y un positrón que puede existir en dos estados de espín. El para -positronio, p -Ps, es un estado singlete (los espines del positrón y el electrón son antiparalelos) con una vida útil de autoaniquilación característica de 125 ps en el vacío. [4] El orto -positronio, o -Ps, es un estado triplete (los espines del positrón y el electrón son paralelos) con una vida útil de autoaniquilación característica de 142 ns en el vacío. [4] En los materiales moleculares, la vida útil del o -Ps depende del entorno y proporciona información relacionada con el tamaño del vacío en el que reside. El Ps puede captar un electrón molecular con un espín opuesto al del positrón, lo que lleva a una reducción de la vida útil del o -Ps de 142 ns a 1-4 ns (dependiendo del tamaño del volumen libre en el que reside). [4] El tamaño del volumen libre molecular se puede derivar de la vida útil de o -Ps a través del modelo semiempírico Tao-Eldrup. [5]
Si bien el PALS es exitoso en el examen de volúmenes libres locales, aún necesita emplear datos de métodos combinados para obtener fracciones de volumen libre. Incluso los enfoques para obtener el volumen libre fraccional a partir de los datos del PALS que afirman ser independientes de otros experimentos, como las mediciones de PVT, aún emplean consideraciones teóricas, como la cantidad de volumen libre iso de la teoría de Simha-Boyer. Un método emergente conveniente para obtener cantidades de volumen libre de manera independiente son las simulaciones por computadora; estas se pueden combinar con las mediciones del PALS y ayudan a interpretar las mediciones del PALS. [6]
La estructura de los poros en los aislantes se puede determinar utilizando el modelo de mecánica cuántica Tao-Eldrup [7] [8] y extensiones del mismo. Al cambiar la temperatura a la que se analiza una muestra, la estructura de los poros se puede ajustar a un modelo en el que el positronio está confinado en una, dos o tres dimensiones. Sin embargo, los poros interconectados dan como resultado tiempos de vida promedio que no pueden distinguir entre canales lisos o canales que tienen poros periféricos abiertos más pequeños debido a la difusión energéticamente favorecida del positronio desde poros pequeños a poros más grandes.
El comportamiento de los positrones en moléculas o materia condensada no es trivial debido a la fuerte correlación entre electrones y positrones. Incluso el caso más simple, el de un solo positrón inmerso en un gas homogéneo de electrones, ha demostrado ser un desafío significativo para la teoría. El positrón atrae electrones hacia él, lo que aumenta la densidad de contacto y, por lo tanto, mejora la tasa de aniquilación. Además, la densidad de momento de los pares electrón-positrón en aniquilación aumenta cerca de la superficie de Fermi. [9] Los enfoques teóricos utilizados para estudiar este problema han incluido la aproximación de Tamm-Dancoff, [10] Fermi [ 11] y las aproximaciones de cadena hiperred perturbadas [12] , los métodos de teoría funcional de la densidad [13] [14] y Monte Carlo cuántico . [15] [16]
El experimento en sí implica tener una fuente de positrones radiactivos (a menudo 22 Na) situada cerca del analito. Los positrones se emiten casi simultáneamente con los rayos gamma. Estos rayos gamma son detectados por un centelleador cercano . [ cita requerida ]