Ett internationellt team av fysiker har övervakat spridningsbeteendet hos elektroner i ett icke-ledande material i realtid. Deras insikter kan vara till nytta för strålbehandling.

Vi kan referera till elektroner i icke-ledande material som "tröga". Vanligtvis, de förblir fasta på en plats, djupt inne i en atomkomposit. Det är därför relativt stilla i ett dielektriskt kristallgitter. Denna idyll har nu blivit kraftigt skakad av ett team av fysiker under ledning av Matthias Kling, ledare för gruppen Ultrafast Nanophotonics vid Institutionen för fysik vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München, och olika forskningsinstitutioner, inklusive Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), Institute of Photonics and Nanotechnologies (IFN-CNR) i Milano, Institutet för fysik vid University of Rostock, Max Born Institute (MBI), Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) och University of Hamburg. För första gången, dessa forskare lyckades direkt observera växelverkan mellan ljus och elektroner i ett dielektrikum, ett icke-ledande material, på tidsskalor av attosekunder (miljarddelar av en miljarddels sekund). Studien publicerades i det senaste numret av tidskriften Naturfysik .

Forskarna strålade ljusblixtar som bara varade några hundra attosekunder på 50 nanometer tjocka glaspartiklar, som frigjorde elektroner inuti materialet. Samtidigt, de bestrålade glaspartiklarna med ett intensivt ljusfält, som interagerade med elektronerna under några femtosekunder (miljondelar av en miljarddels sekund), får dem att svänga. Detta resulterade, rent generellt, i två olika reaktioner av elektronerna. Först, de började röra sig, kolliderade sedan med atomer i partikeln, antingen elastiskt eller oelastiskt. På grund av det täta kristallgitteret, elektronerna kunde röra sig fritt mellan var och en av interaktionerna för bara några ångström (10-10 meter). "Analogt med biljard, elektronernas energi bevaras vid en elastisk kollision, medan deras riktning kan förändras. För oelastiska kollisioner, atomer exciteras och en del av rörelseenergin går förlorad. I våra experiment, denna energiförlust leder till en utarmning av elektronsignalen som vi kan mäta, "förklarar professor Francesca Calegari (CNR-IFN Milan och CFEL/University of Hamburg).

Eftersom slumpen avgör om en kollision inträffar elastiskt eller oelastiskt, med tiden kommer oelastiska kollisioner så småningom att ske, minska antalet elektroner som sprids endast elastiskt. Genom att använda exakta mätningar av elektronernas svängningar inom det intensiva ljusfältet, forskarna lyckades ta reda på att det i genomsnitt tar cirka 150 attosekunder tills elastiskt kolliderande elektroner lämnar nanopartikeln. "Baserat på vår nyutvecklade teoretiska modell kunde vi extrahera en oelastisk kollisionstid på 370 attosekunder från den uppmätta tidsfördröjningen. Detta gjorde att vi kunde klocka denna process för första gången, "beskriver professor Thomas Fennel från University of Rostock och Berlins Max Born Institute i sin analys av data.

Forskarnas resultat kan gynna medicinska tillämpningar. Med dessa globala första ultrasnabba mätningar av elektronrörelser inuti icke-ledande material, de har fått viktig insikt i strålningens interaktion med materia, som delar likheter med mänsklig vävnad. Energin för frigjorda elektroner styrs med det infallande ljuset, så att processen kan undersökas för ett brett spektrum av energier och för olika dielektrikar. "Varje interaktion av högenergistrålning med vävnad resulterar i generering av elektroner. Dessa överför i sin tur sin energi via oelastiska kollisioner på atomer och molekyler i vävnaden, som kan förstöra den. Detaljerad insikt om elektronspridning är därför relevant för behandling av tumörer. Den kan användas i datorsimuleringar för att optimera förstörelsen av tumörer vid strålbehandling samtidigt som man skonar frisk vävnad, "belyser professor Matthias Kling om verkets inverkan. Som ett nästa steg, forskarna planerar att ersätta glas nanopartiklar med vattendroppar för att studera elektronernas interaktion med själva ämnet som utgör den största delen av levande vävnad.