Радиоактивное излучение приводит к образованию высокоэнергетичных ионов, которые способны проникать далеко вглубь вещества, что, в свою очередь, часто приводит к аккумуляции повреждений, создавая эффект попадания пули. Во время движения вглубь энергетичные ионы в итоге замедляются, теряя энергию на «трение» об электроны материала.

Подобно глиссеру, двигающемуся по ровной водной глади, продвижение быстрых ионов создаёт возмущение в электронной плотности материала в форме кильватерной струи.

В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) впервые смогли провести прямую симуляцию «квантового трения» электронов в реальном материале. Отчёт об этом можно найти в журнале Physical Review Letters.

Модель электронной кильватерной струи (синяя), генерируемой в электронной плотности алюминия (жёлтые сферы) при прохождении горячего протона. Результатом чего становится модификация химических связей между атомами вещества (илл. LLNL).

Учёные смоделировали прохождение быстрого протона через кристаллический алюминий. Рассчитав абсорбированную электронами энергию и величину импульса, передаваемого на атомы алюминия, они смогли предсказать скорость, при которой протон будет остановлен, а также количество переданного момента движения. Всё это позволило достичь точной атомистической симуляции передачи энергии и импульса, которые в конечном итоге и ответственны за физический урон, причиняемый материалу.

Таким образом, новый метод позволяет предсказать возможный эффект от воздействия радиации на широкий спектр весьма сложных веществ. И здесь основной упор авторы исследования, конечно, делают даже не на то, из чего производят ядерные реакторы, а на материалы для космической индустрии. Ну а в биологии и медицине полученные результаты способны помочь дальнейшему пониманию того, как радиация влияет на живые ткани, и речь идёт не только о наносимом уроне, но и о оказываемом терапевтическом эффекте (к примеру, при радиотерапии).

В более широком смысле эта симуляция представляет собой первый шаг в направлении разработки обобщённого метода одновременного моделирования динамики ионов и электронов.