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Novo método desvenda o mistério dos elétrons lentos

Felix Blödorn, Julian Brunner, Alessandra Bellissimo, Florian Simperl, Wolfgang
Felix Blödorn, Julian Brunner, Alessandra Bellissimo, Florian Simperl, Wolfgang Werner

Os elétrons lentos são usados ​​na terapia do câncer e também na microeletrônica. É muito difícil observar como eles se comportam nos sólidos. Mas os cientistas da TU Wien tornaram isto possível.

Os elétrons podem se comportar de maneira muito diferente dependendo da quantidade de energia que possuem. Se você dispara um elétron com alta ou baixa energia em um corpo sólido, determina quais efeitos podem ser desencadeados. Elétrons com baixa energia podem ser responsáveis ​​pelo desenvolvimento do câncer, por exemplo, mas, inversamente, também podem ser usados ​​para destruir tumores. Eles também são importantes em tecnologia, por exemplo, para a produção de pequenas estruturas em microeletrônica.

Esses elétrons lentos, entretanto, são extremamente difíceis de medir. O conhecimento sobre o seu comportamento em materiais sólidos é limitado e muitas vezes os cientistas só podem confiar em tentativa e erro. No entanto, TU Wien conseguiu agora obter novas informações valiosas sobre o comportamento desses elétrons: Os elétrons rápidos são usados ​​para gerar elétrons lentos diretamente no material. Isso permite decifrar detalhes que antes eram inacessíveis experimentalmente. O método foi agora apresentado na revista 'Physical Review Letters'.

Dois tipos de elétrons ao mesmo tempo

“Estamos interessados ​​​​no que os elétrons lentos fazem dentro de um material, por exemplo, dentro de um cristal ou dentro de uma célula viva”, diz o professor Wolfgang Werner, do Instituto de Física Aplicada da TU Wien. “Para descobrir, seria necessário construir um minilaboratório diretamente no material para poder medir diretamente no local. Mas isso não é possível, é claro.”

Você só pode medir os elétrons que saem do material, mas isso não diz onde eles foram liberados no material e o que aconteceu com eles desde então. A equipe da TU Wien resolveu esse problema com a ajuda de elétrons rápidos que penetram no material e estimulam diversos processos ali. Por exemplo, estes electrões rápidos podem perturbar o equilíbrio entre as cargas eléctricas positivas e negativas do material, o que pode então levar a que outro electrão se desprenda do seu lugar, viajando a uma velocidade relativamente baixa e, em alguns casos, escapando do material.

O passo crucial agora é medir esses diferentes elétrons simultaneamente: “Por um lado, atiramos um elétron no material e medimos sua energia quando ele sai novamente. Por outro lado, também medimos quais elétrons lentos saem do material ao mesmo tempo.” E ao combinar esses dados é possível obter informações que antes eram inacessíveis.

Não é uma cascata selvagem, mas uma série de colisões

A quantidade de energia que o elétron rápido perdeu em sua jornada através do material fornece informações sobre a profundidade da penetração no material. Isto, por sua vez, fornece informações sobre a profundidade em que os elétrons mais lentos foram liberados de seu lugar.

Estes dados podem agora ser usados ​​para calcular até que ponto e de que forma os eletrões lentos no material libertam a sua energia. As teorias numéricas sobre isso podem ser validadas de forma confiável pela primeira vez usando os dados.

Isso gerou uma surpresa: anteriormente se pensava que a liberação de elétrons no material ocorria em cascata: um elétron rápido entra no material e atinge outro elétron, que é então arrancado de seu lugar, fazendo com que dois elétrons se movam. Esses dois elétrons removeriam então mais dois elétrons de seu lugar e assim por diante. Os novos dados mostram que isto não é verdade: em vez disso, o eletrão rápido sofre uma série de colisões, mas retém sempre uma grande parte da sua energia e apenas um eletrão comparativamente lento é destacado do seu lugar em cada uma destas interações.

“Nosso novo método oferece oportunidades em áreas muito diferentes”, afirma Wolfgang Werner. “Podemos agora finalmente investigar como os elétrons liberam energia em sua interação com o material. É precisamente essa energia que determina se as células tumorais podem ser destruídas na terapia do câncer, por exemplo, ou se os detalhes mais finos de uma estrutura semicondutora podem ser corretamente formado em litografia por feixe de elétrons.”

Publicação original

W. Werner et al., Dissipação de energia de elétrons rápidos em polimetilmetacrilato: em direção a uma curva universal para atenuação de feixe de elétrons em sólidos entre ~ 0 eV e energias relativísticas, Phys. Rev. 132, 186203 (2024).

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