Un team internazionale di fisici ha monitorato in tempo reale il comportamento di dispersione degli elettroni in un materiale non conduttore. Le loro intuizioni potrebbero essere utili per la radioterapia.

Possiamo riferirci agli elettroni nei materiali non conduttori come "pigri". Tipicamente, rimangono fissi in una posizione, profondo all'interno di un composito atomico. È quindi relativamente ancora in un reticolo cristallino dielettrico. Questo idillio è stato ora pesantemente scosso da un team di fisici guidati da Matthias Kling, il leader del gruppo Ultrafast Nanophotonics nel Dipartimento di Fisica della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) a Monaco di Baviera, e vari istituti di ricerca, compreso il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR) di Milano, l'Istituto di Fisica dell'Università di Rostock, l'Istituto Max Born (MBI), il Centro per la scienza del laser a elettroni liberi (CFEL) e l'Università di Amburgo. Per la prima volta, questi ricercatori sono riusciti a osservare direttamente l'interazione di luce ed elettroni in un dielettrico, un materiale non conduttore, su scale temporali di attosecondi (miliardesimi di miliardesimo di secondo). Lo studio è stato pubblicato nell'ultimo numero della rivista Fisica della natura .

Gli scienziati hanno irradiato lampi di luce della durata di poche centinaia di attosecondi su particelle di vetro spesse 50 nanometri, che rilasciano elettroni all'interno del materiale. Contemporaneamente, irradiavano le particelle di vetro con un intenso campo luminoso, che interagiva con gli elettroni per pochi femtosecondi (milionesimi di miliardesimo di secondo), facendoli oscillare. Ciò ha comportato, in genere, in due diverse reazioni degli elettroni. Primo, hanno cominciato a muoversi, poi si scontrò con gli atomi all'interno della particella, sia elasticamente che anelasticamente. A causa del denso reticolo cristallino, gli elettroni potrebbero muoversi liberamente tra ciascuna delle interazioni solo per pochi ångstrom (10-10 metri). "Analogo al biliardo, l'energia degli elettroni si conserva in un urto elastico, mentre la loro direzione può cambiare. Per gli urti anelastici, gli atomi vengono eccitati e parte dell'energia cinetica viene persa. Nei nostri esperimenti, questa perdita di energia porta ad un esaurimento del segnale elettronico che possiamo misurare, " spiega la professoressa Francesca Calegari (CNR-IFN Milano e CFEL/Università di Amburgo).

Poiché il caso decide se un urto avviene elasticamente o anelasticamente, con il tempo alla fine si verificheranno collisioni anelastiche, riducendo il numero di elettroni che si diffondono solo elasticamente. Impiegando misurazioni precise delle oscillazioni degli elettroni all'interno del campo di luce intensa, i ricercatori sono riusciti a scoprire che occorrono in media circa 150 attosecondi prima che gli elettroni in collisione elastica lascino la nanoparticella. "Sulla base del nostro modello teorico appena sviluppato, abbiamo potuto estrarre un tempo di collisione anelastico di 370 attosecondi dal ritardo misurato. Questo ci ha permesso di cronometrare questo processo per la prima volta, " descrive il professor Thomas Fennel dell'Università di Rostock e del Max Born Institute di Berlino nella sua analisi dei dati.

I risultati dei ricercatori potrebbero avvantaggiare le applicazioni mediche. Con queste prime misurazioni ultraveloci al mondo dei movimenti degli elettroni all'interno di materiali non conduttori, hanno ottenuto importanti informazioni sull'interazione della radiazione con la materia, che condivide somiglianze con il tessuto umano. L'energia degli elettroni rilasciati è controllata con la luce incidente, tale che il processo può essere studiato per un'ampia gamma di energie e per vari dielettrici. "Ogni interazione della radiazione ad alta energia con il tessuto porta alla generazione di elettroni. Questi a loro volta trasferiscono la loro energia tramite collisioni anelastiche su atomi e molecole del tessuto, che può distruggerlo. Informazioni dettagliate sulla diffusione degli elettroni sono quindi rilevanti per il trattamento dei tumori. Può essere utilizzato nelle simulazioni al computer per ottimizzare la distruzione dei tumori in radioterapia risparmiando il tessuto sano, " sottolinea il professor Matthias Kling dell'impatto del lavoro. Come passo successivo, gli scienziati intendono sostituire le nanoparticelle di vetro con goccioline d'acqua per studiare l'interazione degli elettroni con la stessa sostanza che costituisce la maggior parte dei tessuti viventi.