Wetenschap
Nieuwe methode ontrafelt het mysterie van langzame elektronen
Langzame elektronen worden zowel bij kankertherapie als in de micro-elektronica gebruikt. Het is heel moeilijk om te observeren hoe ze zich in vaste stoffen gedragen. Maar wetenschappers van de TU Wien hebben dit mogelijk gemaakt.
Elektronen kunnen zich heel verschillend gedragen, afhankelijk van hoeveel energie ze hebben. Of je nu een elektron met hoge of lage energie in een vast lichaam schiet, bepaalt welke effecten kunnen worden geactiveerd.
Elektronen met een lage energie kunnen bijvoorbeeld verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van kanker, maar omgekeerd kunnen ze ook worden gebruikt om tumoren te vernietigen. Ook in de technologie zijn ze belangrijk, bijvoorbeeld voor de productie van kleine structuren in de micro-elektronica.
Deze langzame elektronen zijn echter uiterst moeilijk te meten. De kennis over hun gedrag in vaste materialen is beperkt, en wetenschappers kunnen vaak alleen maar vertrouwen op vallen en opstaan. TU Wien is er nu echter in geslaagd waardevolle nieuwe informatie te verkrijgen over het gedrag van deze elektronen:Snelle elektronen worden gebruikt om langzame elektronen direct in het materiaal te genereren.
Hierdoor kunnen details worden ontcijferd die voorheen experimenteel ontoegankelijk waren. De methode is nu gepresenteerd in het tijdschrift Physical Review Letters .
Twee soorten elektronen tegelijkertijd
"We zijn geïnteresseerd in wat de langzame elektronen doen in een materiaal, bijvoorbeeld in een kristal of in een levende cel", zegt prof. Wolfgang Werner van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien. "Om daar achter te komen zou je eigenlijk direct in het materiaal een mini-laboratorium moeten bouwen om direct ter plekke te kunnen meten. Maar dat kan natuurlijk niet."
Je kunt alleen elektronen meten die uit het materiaal komen, maar dat zegt niet waar in het materiaal ze vrijkomen en wat er sindsdien mee is gebeurd. Het team van TU Wien heeft dit probleem opgelost met behulp van snelle elektronen die het materiaal binnendringen en daar verschillende processen stimuleren.
Deze snelle elektronen kunnen bijvoorbeeld de balans tussen de positieve en negatieve elektrische ladingen van het materiaal verstoren, wat er vervolgens toe kan leiden dat een ander elektron zich losmaakt van zijn plaats, met relatief lage snelheid reist en in sommige gevallen uit het materiaal ontsnapt.
De cruciale stap nu is om deze verschillende elektronen tegelijkertijd te meten. “Enerzijds schieten we een elektron het materiaal in en meten we de energie ervan als het weer weggaat. Aan de andere kant meten we ook welke langzame elektronen tegelijkertijd uit het materiaal komen”, zegt Werner. En door deze gegevens te combineren, is het mogelijk informatie te verkrijgen die voorheen ontoegankelijk was.
Geen wilde waterval, maar een reeks botsingen
De hoeveelheid energie die het snelle elektron heeft verloren tijdens zijn reis door het materiaal, geeft informatie over hoe diep het in het materiaal is doorgedrongen. Dit levert op zijn beurt informatie op over de diepte waarop de langzamere elektronen van hun plaats werden losgelaten.
Met deze gegevens kan nu worden berekend in welke mate en op welke manier de langzame elektronen in het materiaal hun energie vrijgeven. Numerieke theorieën hierover kunnen voor het eerst op betrouwbare wijze worden gevalideerd met behulp van de gegevens.
Dat leidde tot een verrassing:eerder werd gedacht dat het vrijkomen van elektronen in het materiaal in cascade plaatsvond:een snel elektron komt het materiaal binnen en raakt een ander elektron, dat vervolgens van zijn plek wordt weggerukt, waardoor twee elektronen in beweging komen. Deze twee elektronen zouden dan nog twee elektronen van hun plaats verwijderen, enzovoort.
De nieuwe gegevens laten zien dat dit niet waar is:in plaats daarvan ondergaat het snelle elektron een reeks botsingen, maar behoudt altijd een groot deel van zijn energie en slechts één relatief langzaam elektron wordt losgemaakt van zijn plaats in elk van deze interacties.
"Onze nieuwe werkwijze biedt kansen op heel verschillende gebieden", zegt Werner. “We kunnen nu eindelijk onderzoeken hoe de elektronen energie vrijgeven in hun interactie met het materiaal.
"Het is juist deze energie die bepaalt of tumorcellen vernietigd kunnen worden bij bijvoorbeeld kankertherapie, of dat de fijnste details van een halfgeleiderstructuur correct gevormd kunnen worden bij elektronenbundellithografie."