Långsamma elektroner används i cancerterapi såväl som i mikroelektronik. Det är mycket svårt att observera hur de beter sig i fasta ämnen. Men forskare vid TU Wien har gjort detta möjligt.
Elektroner kan bete sig väldigt olika beroende på hur mycket energi de har. Om du skjuter in en elektron med hög eller låg energi i en fast kropp avgör vilka effekter som kan utlösas.
Elektroner med låg energi kan vara ansvariga för utvecklingen av till exempel cancer, men omvänt kan de också användas för att förstöra tumörer. De är också viktiga inom teknik, till exempel för produktion av små strukturer inom mikroelektronik.
Dessa långsamma elektroner är dock extremt svåra att mäta. Kunskapen om deras beteende i fasta material är begränsad, och ofta kan forskare bara lita på trial and error. Men nu har TU Wien lyckats få fram värdefull ny information om dessa elektroners beteende:Snabba elektroner används för att generera långsamma elektroner direkt i materialet.
Detta gör det möjligt att dechiffrera detaljer som tidigare var otillgängliga experimentellt. Metoden har nu presenterats i tidskriften Physical Review Letters .
"Vi är intresserade av vad de långsamma elektronerna gör inuti ett material, till exempel inuti en kristall eller inuti en levande cell", säger prof Wolfgang Werner från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien. "För att ta reda på det skulle man faktiskt behöva bygga ett minilaboratorium direkt i materialet för att kunna mäta direkt på plats. Men det går förstås inte."
Man kan bara mäta elektroner som kommer ut ur materialet, men det säger inte var i materialet de släpptes och vad som har hänt med dem sedan dess. Teamet vid TU Wien löste detta problem med hjälp av snabba elektroner som penetrerar materialet och stimulerar olika processer där.
Till exempel kan dessa snabba elektroner störa balansen mellan materialets positiva och negativa elektriska laddningar, vilket sedan kan leda till att en annan elektron lossnar från sin plats, färdas med relativt låg hastighet och i vissa fall flyr från materialet.
Det avgörande steget nu är att mäta dessa olika elektroner samtidigt. "Å ena sidan skjuter vi in en elektron i materialet och mäter dess energi när den lämnar igen. Å andra sidan mäter vi också vilka långsamma elektroner som kommer ut ur materialet samtidigt", säger Werner. Och genom att kombinera dessa data är det möjligt att få information som tidigare var otillgänglig.
Mängden energi som den snabba elektronen har förlorat på sin resa genom materialet ger information om hur djupt den har trängt in i materialet. Detta ger i sin tur information om vid vilket djup de långsammare elektronerna släpptes från sin plats.
Dessa data kan nu användas för att beräkna i vilken utsträckning och på vilket sätt de långsamma elektronerna i materialet frigör sin energi. Numeriska teorier om detta kan tillförlitligt valideras för första gången med hjälp av data.
Detta ledde till en överraskning:man trodde tidigare att frisättningen av elektroner i materialet skedde i en kaskad:En snabb elektron kommer in i materialet och träffar en annan elektron, som sedan rivs bort från sin plats, vilket får två elektroner att röra sig. Dessa två elektroner skulle sedan ta bort ytterligare två elektroner från sin plats, och så vidare.
De nya uppgifterna visar att detta inte är sant:istället genomgår den snabba elektronen en serie kollisioner, men behåller alltid en stor del av sin energi och endast en jämförelsevis långsam elektron frigörs från sin plats i var och en av dessa interaktioner.
"Vår nya metod ger möjligheter inom väldigt olika områden", säger Werner. "Vi kan nu äntligen undersöka hur elektronerna frigör energi i sin interaktion med materialet.
"Det är just denna energi som avgör om tumörceller kan förstöras i till exempel cancerterapi, eller om de finaste detaljerna i en halvledarstruktur kan formas korrekt i elektronstrålelitografi."
Mer information: Wolfgang S. M. Werner et al, Energy Dissipation of Fast Electrons in Polymethylmethacrylate:Toward a Universal Curve for Electron-Beam Attenuation in Solids between ~0 eV and Relativistic Energies, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.186203
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
