Uro i træg elektroner eksistens

Et internationalt team af fysikere har overvåget spredningsadfærden for elektroner i et ikke-ledende materiale i realtid. Deres indsigt kan være gavnligt for strålebehandling.

Vi kan betegne elektroner i ikke-ledende materialer som 'træg'. Typisk, de forbliver fast på et sted, dybt inde i en atomkomposit. Det er derfor relativt stadig i et dielektrisk krystalgitter. Denne idyl er nu blevet kraftigt rystet af et team af fysikere under ledelse af Matthias Kling, leder af gruppen Ultrafast Nanophotonics i Institut for Fysik ved Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München, og forskellige forskningsinstitutioner, herunder Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), Institute of Photonics and Nanotechnologies (IFN-CNR) i Milano, Institut for Fysik ved University of Rostock, Max Born Institute (MBI), Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) og University of Hamburg. For første gang, disse forskere formåede direkte at observere vekselvirkningen mellem lys og elektroner i et dielektrikum, et ikke-ledende materiale, på tidsskalaer for attosekunder (milliarder af en milliarddel af et sekund). Undersøgelsen blev offentliggjort i det seneste nummer af tidsskriftet Naturfysik .

Forskerne strålede lysglimt, der kun varede et par hundrede attosekunder på 50 nanometer tykke glaspartikler, som frigav elektroner inde i materialet. Samtidigt, de bestrålede glaspartiklerne med et intens lysfelt, som interagerede med elektronerne i et par femtosekunder (milliontedele af en milliarddel af et sekund), får dem til at svinge. Dette resulterede, generelt, i to forskellige reaktioner af elektronerne. Først, de begyndte at bevæge sig, kolliderede derefter med atomer i partiklen, enten elastisk eller uelastisk. På grund af det tætte krystalgitter, elektronerne kunne bevæge sig frit mellem hver af interaktionerne i kun et par ångstrøm (10-10 meter). "Analogt med billard, elektronernes energi bevares ved en elastisk kollision, mens deres retning kan ændre sig. Ved uelastiske kollisioner, atomer ophidses, og en del af den kinetiske energi går tabt. I vores eksperimenter, dette energitab fører til en udtømning af elektronsignalet, som vi kan måle, "forklarer professor Francesca Calegari (CNR-IFN Milan og CFEL/University of Hamburg).

Da tilfældigheden afgør, om en kollision opstår elastisk eller uelastisk, med tiden vil der til sidst finde uelastiske kollisioner sted, reducere antallet af elektroner, der kun spredes elastisk. Anvender præcise målinger af elektronernes svingninger inden for det intense lysfelt, det lykkedes forskerne at finde ud af, at det i gennemsnit tager omkring 150 attosekunder, indtil elektronisk kolliderende elektroner forlader nanopartiklen. "Baseret på vores nyudviklede teoretiske model kunne vi udtrække en uelastisk kollisionstid på 370 attosekunder fra den målte tidsforsinkelse. Dette satte os i stand til at urprocere denne proces for første gang, "beskriver professor Thomas Fennel fra University of Rostock og Berlins Max Born Institute i sin analyse af dataene.

Forskernes fund kan være til gavn for medicinske applikationer. Med disse verdens første ultrahurtige målinger af elektronbevægelser inde i ikke-ledende materialer, de har opnået vigtig indsigt i strålingens interaktion med stof, som deler ligheder med humant væv. Energien fra frigivne elektroner styres med det indfaldende lys, sådan, at processen kan undersøges for en bred vifte af energier og for forskellige dielektrikke. "Hver interaktion mellem højenergistråling og væv resulterer i dannelsen af ​​elektroner. Disse overfører igen deres energi via uelastiske kollisioner til atomer og molekyler i vævet, som kan ødelægge det. Detaljeret indsigt om elektronspredning er derfor relevant til behandling af tumorer. Det kan bruges i computersimuleringer til at optimere ødelæggelsen af ​​tumorer ved strålebehandling, mens du sparer sundt væv, "fremhæver professor Matthias Kling om værkets indvirkning. Som et næste trin, forskerne planlægger at erstatte glas nanopartikler med vanddråber for at studere elektronernes interaktion med selve stoffet, der udgør den største del af levende væv.