Een internationaal team van natuurkundigen heeft het verstrooiingsgedrag van elektronen in een niet-geleidend materiaal in realtime gevolgd. Hun inzichten kunnen nuttig zijn voor radiotherapie.

We kunnen elektronen in niet-geleidende materialen 'traag' noemen. Typisch, ze blijven vast op een locatie, diep in een atomaire composiet. Het bevindt zich dus relatief stil in een diëlektrisch kristalrooster. Deze idylle is nu zwaar door elkaar geschud door een team van natuurkundigen onder leiding van Matthias Kling, de leider van de Ultrafast Nanophotonics-groep in het departement Natuurkunde aan de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München, en verschillende onderzoeksinstellingen, waaronder het Max Planck Instituut voor Quantum Optica (MPQ), het Instituut voor Fotonica en Nanotechnologieën (IFN-CNR) in Milaan, het Instituut voor Natuurkunde aan de Universiteit van Rostock, het Max Born Instituut (MBI), het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en de Universiteit van Hamburg. Voor de eerste keer, deze onderzoekers slaagden erin om de interactie van licht en elektronen in een diëlektricum direct te observeren, een niet-geleidend materiaal, op tijdschalen van attoseconden (miljardste van een miljardste van een seconde). De studie werd gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Natuurfysica .

De wetenschappers straalden lichtflitsen van slechts een paar honderd attoseconden uit op 50 nanometer dikke glasdeeltjes, die elektronen in het materiaal vrijmaakten. Tegelijkertijd, ze bestraalden de glasdeeltjes met een intens lichtveld, die een paar femtoseconden (miljoensten van een miljardste van een seconde) met de elektronen in wisselwerking stonden, waardoor ze gaan oscilleren. Dit resulteerde, over het algemeen, in twee verschillende reacties door de elektronen. Eerst, ze begonnen te bewegen, botste vervolgens met atomen in het deeltje, hetzij elastisch, hetzij inelastisch. Door het dichte kristalrooster, de elektronen konden zich slechts een paar ångstrom (10-10 meter) vrij bewegen tussen elk van de interacties. "Vergelijkbaar met biljart, de energie van elektronen wordt behouden bij een elastische botsing, terwijl hun richting kan veranderen. Voor inelastische botsingen, atomen worden aangeslagen en een deel van de kinetische energie gaat verloren. In onze experimenten, dit energieverlies leidt tot een uitputting van het elektronensignaal dat we kunnen meten, " legt professor Francesca Calegari (CNR-IFN Milaan en CFEL/Universiteit van Hamburg) uit.

Omdat het toeval bepaalt of een botsing elastisch of inelastisch plaatsvindt, na verloop van tijd zullen er uiteindelijk inelastische botsingen plaatsvinden, vermindering van het aantal elektronen dat alleen elastisch wordt verstrooid. Gebruikmakend van nauwkeurige metingen van de oscillaties van de elektronen binnen het intense lichtveld, de onderzoekers kwamen erachter dat het gemiddeld zo'n 150 attoseconden duurt voordat elastisch botsende elektronen het nanodeeltje verlaten. "Op basis van ons nieuw ontwikkelde theoretische model konden we een inelastische botsingstijd van 370 attoseconden extraheren uit de gemeten tijdvertraging. Hierdoor konden we dit proces voor de eerste keer klokken, " beschrijft professor Thomas Venkel van de Universiteit van Rostock en het Max Born Instituut in Berlijn in zijn analyse van de gegevens.

De bevindingen van de onderzoekers kunnen medische toepassingen ten goede komen. Met deze wereldwijde eerste ultrasnelle metingen van elektronenbewegingen in niet-geleidende materialen, ze hebben belangrijk inzicht gekregen in de interactie van straling met materie, die overeenkomsten vertoont met menselijk weefsel. De energie van vrijgekomen elektronen wordt gecontroleerd met het invallende licht, zodat het proces kan worden onderzocht voor een breed scala aan energieën en voor verschillende diëlektrica. "Elke interactie van hoogenergetische straling met weefsel resulteert in het genereren van elektronen. Deze dragen op hun beurt hun energie over via inelastische botsingen op atomen en moleculen van het weefsel, die het kan vernietigen. Gedetailleerd inzicht in elektronenverstrooiing is daarom relevant voor de behandeling van tumoren. Het kan worden gebruikt in computersimulaties om de vernietiging van tumoren bij radiotherapie te optimaliseren en gezond weefsel te sparen, " benadrukt professor Matthias Kling over de impact van het werk. Als volgende stap, de wetenschappers zijn van plan de glazen nanodeeltjes te vervangen door waterdruppels om de interactie van elektronen met de stof die het grootste deel van levend weefsel vormt, te bestuderen.