Onderzoekers onderzoeken nieuwe manieren waarop elektronen uit materie worden geslagen. Hun onderzoek kan implicaties hebben voor bestralingstherapie.

Door een kleine cluster van neonatomen bloot te stellen aan een zeer korte en intense uitbarsting van extreem ultraviolet licht, wordt een nieuw mechanisme in gang gezet dat een groot aantal elektronen en ionen produceert.

Een team van onderzoekers onder leiding van fysisch chemicus Kiyoshi Ueda van Tohoku University gebruikte een vrije elektronenlaser (FEL) bij de SPring-8 Compact SASE Source-testversneller van Japan om te onderzoeken hoe elektronen worden 'uitgeslagen' uit neonatoomclusters. Intense extreem ultraviolette FEL-pulsen werden op de clusters gericht en de resulterende energieverdeling van elektronen die uit de clusters werden geslagen, werd gemeten met behulp van een 'velocity map imaging spectrometer'.

Elektronen in een materiaal absorberen energie wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan licht. Normaal gesproken, deze energie wordt gebruikt om elektronen uit het materiaal te 'knappen'. Dit kan alleen gebeuren, echter, als de energie van het lichtdeeltje, of 'foton', geabsorbeerd door het elektron hoger is dan de hoeveelheid energie die het materiaal nodig heeft, of zijn 'werkfunctie', om het elektron uit te werpen. 1921, Albert Einstein won een Nobelprijs voor het beschrijven van dit 'foto-elektrisch effect'.

Het team testte wat er zou gebeuren als ze de fotonenergie van het FEL-licht onder de werkfunctie van clusters van neonatomen plaatsen. In plaats van te worden uitgeschakeld, wanneer een elektron dat stevig aan een neonatoom is gebonden het foton met lagere energie absorbeert, het wordt losjes gebonden, waardoor het atoom 'opgewonden' wordt. Omdat de FEL-puls zo intens is, veel elektronen worden tegelijkertijd losjes gebonden in de clusters; wat betekent dat veel atomen opgewonden raken. Elektronen worden dan uit de clusters geslagen, ook al is de fotonenergie lager dan hun werkfunctie.

Het team ontdekte dat losjes gebonden elektronen uit de clusters worden geslagen in een nieuw 'cascadering'-proces.

Het proces begint wanneer een atoom met een losjes gebonden elektron interageert met een nabijgelegen atoom dat ook een losjes gebonden elektron heeft. De eerste draagt ​​energie over aan zijn buurman, die zijn eigen losjes gebonden elektron 'neerhaalt', zwevend in een 'hoge-energetische' baan in een 'lage-energetische' baan dichter bij de kern van het atoom. Tegelijkertijd, de energie die naar het naburige atoom wordt overgebracht, klopt een losjes gebonden elektron eruit. Het eerste atoom, die nu 'minder opgewonden' is, interageert dan met een ander naburig aangeslagen atoom, het geeft het ook energie en 'de-exciteert' zichzelf dus nog verder terwijl een elektron uit een andere buur wordt geslagen. Dit trapsgewijze proces vindt plaats in veel paren aangeslagen atomen, resulterend in de emissie van een groot aantal laagenergetische elektronen.

"De cascades van elektronen uit en neer slaan produceren meer elektronen en meer ionen, het monster meer beschadigen. Ik ben ervan overtuigd dat deze cascades een cruciale rol kunnen spelen in toekomstige bestralingstherapie, " zegt Lorenz Cederbaum van de Duitse universiteit van Heidelberg, een van de co-auteurs van de studie.

Het vrijkomen van laagenergetische elektronen die aan intens licht worden blootgesteld, kan DNA beschadigen. Dit concept wordt gebruikt bij kankerbestralingstherapie. De bevindingen kunnen implicaties hebben voor het gebruik van bestralingstherapie in de toekomst.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .