Nová metoda TU Vídeň odhalila záhadu pomalých elektronů
Foto: Tiskový zdroj EurekAlertPomalé elektrony se používají při terapii u rakoviny i v mikroelektronice. Pozorovat ale jak se chovají v pevných látkách, je obtížné. Na Technické univerzitě ve Vídni je to nyní možné, a to pomocí triku.
Elektrony se mohou chovat velmi odlišně v závislosti na tom, kolik energie mají. Zda vystřelíte elektron s vysokou nebo nízkou energií do pevné látky, určuje, jaké efekty to může vyvolat. Elektrony s nízkou energií mohou být zodpovědné za vznik rakoviny. Ale i naopak. Mohou být použité k ničení nádorů. Význam mají i technologicky, například pro výrobu jemných struktur v mikroelektronice.
Měřit pomalé elektrony, je extrémně obtížné. Chování pomalých elektronů v pevných materiálech, je odhalovaná metodou pokusu a omylu. Na Technické univerzitě ve Vídni se však nyní podařilo získat nové cenné informace o chování těchto elektronů. Rychlé elektrony se používají ke generování pomalých elektronů přímo v materiálu. To nám umožňuje dešifrovat detaily, které byly dříve experimentálně nepřístupné. Novou metou představili vědci v časopise „Physical Review Letters“.
Dva typy elektronů současně
„Zajímá nás, co dělají pomalé elektrony uvnitř materiálu. Například uvnitř krystalu nebo uvnitř živé buňky,“ říká prof. Wolfgang Werner z Institutu aplikované fyziky na TU Vídeň. „Abyste to zjistili, museli byste vlastně postavit minilaboratoř přímo v materiálu, abyste mohli měřit přímo na místě. Ale to samozřejmě není možné.“
Můžete měřit pouze elektrony, které vycházejí z materiálu. Ale stále nevíte, kde se v materiálu uvolnily a co se s nimi od té doby stalo. Tým z TU Wien tento problém vyřešil pomocí rychlých elektronů, které pronikají do materiálu a stimulují tam různé procesy. Mohou například narušit rovnováhu mezi kladnými a zápornými elektrickými náboji v materiálu. Což pak může způsobit, že se další elektron přesune ze svého místa. Pohybuje se relativně nízkou rychlostí a v některých případech z materiálu unikne.
Zásadním krokem je nyní měření těchto různých elektronů současně. „Na jedné straně vystřelíme elektron do materiálu a změříme jeho energii, když se znovu vynoří. Na druhou stranu zároveň měříme, které pomalé elektrony vycházejí z materiálu.“ A kombinací těchto dat lze získat informace, které byly dříve nedostupné.
Není to divoká kaskáda, ale série kolizí
Množství energie, kterou rychlý elektron ztratil na své cestě materiálem, poskytuje informaci o tom, jak hluboko materiálem pronikl. To zase poskytuje informaci o hloubce, ve které byly, pomalejší elektrony, ze svého místa uvolněny.
Z těchto údajů nyní můžete vypočítat, do jaké míry a jakým způsobem uvolňují pomalé elektrony v materiálu svou energii. Numerické teorie mohou být konečně, pomocí dat, poprvé spolehlivě ověřeny.
Došlo k překvapení. Dříve se předpokládalo, že uvolňování elektronů v materiálu, probíhá kaskádovitě. Rychlý elektron vstoupí do materiálu. Narazí do jiného elektronu. A ten, je ze svého původního místa, vyražený ven. Takže dva elektrony nyní letět dál. Tyto dva elektrony by nyní vytlačily další dva elektrony ze svého místa a tak dále. Nová data ukazují, že to není pravda. Namísto toho rychlý elektron podstoupí řadu srážek. Ale vždy si zachová velkou část své energie a při každé z těchto interakcí se ze svého místa uvolní pouze jediný, poměrně pomalý elektron.
„Naše nová metoda nabízí příležitosti ve velmi odlišných oblastech,“ říká Wolfgang Werner. „Nyní můžeme konečně prozkoumat, jak elektrony uvolňují energii při jejich interakci s materiálem.“ Právě tato energie rozhoduje například v terapii rakoviny o tom, zda lze zničit nádorové buňky. Nebo v elektronové litografii o tom, zda je možné vytvořit správně nejjemnější detaily polovodičové struktury.“
Článek byl upraven z tiskové zprávy Technické univerzity ve Vídni. Odborná publikace: W. Werner a kol., Dissipation of Fast Electrons in Polymethylmethakrylát.Toward a Universal Curve for Electron-Beam Attenuation in Solids mezi ~0 eV a Relativistic Energies, Phys. Rev. Lett. 132, 186203 (2024).
