Ny metode afslører mysteriet med langsomme elektroner

Langsomme elektroner bruges i kræftbehandling såvel som i mikroelektronik. Det er meget svært at observere, hvordan de opfører sig i faste stoffer. Men videnskabsmænd ved TU Wien har gjort dette muligt.

Elektroner kan opføre sig meget forskelligt alt efter hvor meget energi de har. Om du skyder en elektron med høj eller lav energi ind i en fast krop afgør, hvilke effekter der kan udløses.

Elektroner med lav energi kan være ansvarlige for udviklingen af ​​for eksempel kræft, men omvendt kan de også bruges til at ødelægge tumorer. De er også vigtige inden for teknologi, for eksempel til fremstilling af bittesmå strukturer i mikroelektronik.

Disse langsomme elektroner er dog ekstremt svære at måle. Viden om deres adfærd i faste materialer er begrænset, og ofte kan forskere kun stole på forsøg og fejl. Men det er nu lykkedes TU Wien at skaffe værdifuld ny information om disse elektroners adfærd:Hurtige elektroner bruges til at generere langsomme elektroner direkte i materialet.

Dette gør det muligt at tyde detaljer, som tidligere var utilgængelige eksperimentelt. Metoden er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Physical Review Letters .

To typer elektroner på samme tid

"Vi er interesserede i, hvad de langsomme elektroner gør inde i et materiale, for eksempel inde i en krystal eller inde i en levende celle," siger prof Wolfgang Werner fra Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien. "For at finde ud af det skulle man faktisk bygge et mini-laboratorium direkte i materialet for at kunne måle direkte på stedet. Men det er selvfølgelig ikke muligt."

Du kan kun måle elektroner, der kommer ud af materialet, men det fortæller dig ikke, hvor i materialet de blev frigivet, og hvad der er sket med dem siden da. Holdet på TU Wien løste dette problem ved hjælp af hurtige elektroner, der trænger ind i materialet og stimulerer forskellige processer der.

For eksempel kan disse hurtige elektroner forstyrre balancen mellem materialets positive og negative elektriske ladninger, hvilket så kan føre til, at en anden elektron løsner sig fra sin plads, bevæger sig med en relativt lav hastighed og i nogle tilfælde flygter fra materialet.

Det afgørende skridt nu er at måle disse forskellige elektroner samtidigt. "På den ene side skyder vi en elektron ind i materialet og måler dens energi, når den går igen. På den anden side måler vi også, hvilke langsomme elektroner, der samtidig kommer ud af materialet," siger Werner. Og ved at kombinere disse data er det muligt at få oplysninger, som tidligere var utilgængelige.

Ikke en vild kaskade, men en række kollisioner

Den mængde energi, som den hurtige elektron har mistet på sin rejse gennem materialet, giver information om, hvor dybt den er trængt ind i materialet. Dette giver igen information om den dybde, hvor de langsommere elektroner blev frigivet fra deres plads.

Disse data kan nu bruges til at beregne i hvilket omfang og på hvilken måde de langsomme elektroner i materialet frigiver deres energi. Numeriske teorier om dette kan valideres pålideligt for første gang ved hjælp af dataene.

Dette førte til en overraskelse:man troede tidligere, at frigivelsen af ​​elektroner i materialet fandt sted i en kaskade:En hurtig elektron kommer ind i materialet og rammer en anden elektron, som så rives væk fra sin plads, hvilket får to elektroner til at bevæge sig. Disse to elektroner ville så fjerne yderligere to elektroner fra deres plads, og så videre.

De nye data viser, at dette ikke er sandt:I stedet gennemgår den hurtige elektron en række kollisioner, men bevarer altid en stor del af sin energi, og kun en forholdsvis langsom elektron er løsrevet fra sin plads i hver af disse interaktioner.

"Vores nye metode giver muligheder på vidt forskellige områder," siger Werner. "Vi kan nu endelig undersøge, hvordan elektronerne frigiver energi i deres interaktion med materialet.

"Det er netop denne energi, der bestemmer, om tumorceller kan ødelægges i for eksempel kræftbehandling, eller om de fineste detaljer i en halvlederstruktur kan dannes korrekt i elektronstrålelitografi."

Flere oplysninger: 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

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Vienna University of Technology