Forskare undersöker nya sätt genom vilka elektroner slås ut ur materia. Deras forskning kan få konsekvenser för strålbehandling.

Att exponera ett litet kluster av neonatomer för en mycket kort och intensiv explosion av extremt ultraviolett ljus initierar en ny mekanism som producerar ett stort antal elektroner och joner.

Ett team av forskare ledda av fysikalisk kemist Kiyoshi Ueda från Tohoku University använde en frielektronlaser (FEL) vid Japans SPring-8 Compact SASE Source-testaccelerator för att undersöka hur elektroner "slås ut" ur neonatomkluster. Intensiva extrema ultravioletta FEL-pulser riktades mot klustren och den resulterande energifördelningen av elektroner som slagits ut ur klustren mättes med hjälp av en "hastighetskartbildsspektrometer".

Elektroner inuti ett material absorberar energi när materialet utsätts för ljus. I vanliga fall, denna energi används för att "slå ut elektroner" ur materialet. Detta kan bara hända, dock, om ljuspartikelns energi, eller 'foton', som absorberas av elektronen är högre än mängden energi som behövs av materialet, eller dess "arbetsfunktion", att skjuta ut elektronen. 1921, Albert Einstein vann ett Nobelpris för att beskriva denna "fotoelektriska effekt".

Teamet testade vad som skulle hända när de satte fotonenergin för FEL-ljuset under arbetsfunktionen för kluster av neonatomer. Istället för att bli utslagen, när en elektron som är hårt bunden till en neonatom absorberar fotonen med lägre energi, den blir löst bunden, får atomen att bli "exciterad". Eftersom FEL-pulsen är så intensiv, många elektroner blir löst bundna i klustren samtidigt; vilket innebär att många atomer blir exciterade. Elektroner slås sedan ut ur klustren trots att fotonenergin ligger under deras arbetsfunktion.

Teamet upptäckte att löst bundna elektroner slås ut ur klustren i en ny "kaskadprocess".

Processen börjar när en atom med en löst bunden elektron interagerar med en närliggande atom som också har en löst bunden elektron. Den första överför energi till sin granne, som "slår ner" sin egen löst bundna elektron som svävar i en "högenergi"-bana till en "lågenergi"-bana närmare atomens kärna. På samma gång, energin som överförs till den intilliggande atomen slår ut en löst bunden elektron ur den. Den första atomen, som nu är "mindre upphetsad", interagerar sedan med en annan närliggande exciterad atom, ger den också energi och "avexciterar" sig själv ytterligare samtidigt som den slår ut en elektron från en annan granne. Denna kaskadprocess sker i många par exciterade atomer, vilket resulterar i emission av ett stort antal lågenergielektroner.

"Kaskader av att slå elektroner ut och ner producerar fler elektroner och fler joner, skadar provet mer. Jag är övertygad om att dessa kaskader kan spela en avgörande roll i framtida strålterapi, " säger Lorenz Cederbaum från Tysklands Heidelberg University, en av studiens medförfattare.

Frigörandet av lågenergielektroner som utsätts för intensivt ljus kan skada DNA. Detta koncept används i cancerstrålbehandling. Fynden kan få konsekvenser för användningen av strålbehandling i framtiden.

Forskarna publicerade sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .