Gli elettroni possono comportarsi in modo molto diverso a seconda di quanta energia hanno. Sia che spari un elettrone con energia alta o bassa in un corpo solido determina quali effetti possono essere attivati.

Gli elettroni a bassa energia possono essere responsabili, ad esempio, dello sviluppo del cancro, ma al contrario possono anche essere utilizzati per distruggere i tumori. Sono importanti anche nella tecnologia, ad esempio per la produzione di minuscole strutture nella microelettronica.

Questi elettroni lenti, tuttavia, sono estremamente difficili da misurare. La conoscenza del loro comportamento nei materiali solidi è limitata e spesso gli scienziati possono fare affidamento solo su tentativi ed errori. Tuttavia, TU Wien è ora riuscita a ottenere nuove preziose informazioni sul comportamento di questi elettroni:gli elettroni veloci vengono utilizzati per generare elettroni lenti direttamente nel materiale.

Ciò consente di decifrare dettagli che prima erano inaccessibili sperimentalmente. Il metodo è stato ora presentato nella rivista Physical Review Letters .

Due tipi di elettroni allo stesso tempo

"Ci interessa sapere cosa fanno gli elettroni lenti all'interno di un materiale, ad esempio all'interno di un cristallo o all'interno di una cellula vivente", afferma il prof. Wolfgang Werner dell'Istituto di fisica applicata della TU Wien. "Per scoprirlo bisognerebbe costruire un mini-laboratorio direttamente nel materiale per poter effettuare misurazioni direttamente sul posto. Ma ovviamente questo non è possibile."

Puoi solo misurare gli elettroni che escono dal materiale, ma questo non ti dice in quale punto del materiale sono stati rilasciati e cosa è successo loro da allora. Il team della TU Wien ha risolto questo problema con l'aiuto di elettroni veloci che penetrano nel materiale e stimolano vari processi lì.

Ad esempio, questi elettroni veloci possono disturbare l'equilibrio tra le cariche elettriche positive e negative del materiale, che può quindi portare un altro elettrone a staccarsi dal suo posto, viaggiando a una velocità relativamente bassa e in alcuni casi fuggendo dal materiale.

Il passo cruciale ora è misurare questi diversi elettroni simultaneamente. "Da un lato spariamo un elettrone nel materiale e misuriamo la sua energia quando esce di nuovo. Dall'altro misuriamo anche quali elettroni lenti escono contemporaneamente dal materiale", spiega Werner. E combinando questi dati è possibile ottenere informazioni prima inaccessibili.

Non una cascata selvaggia, ma una serie di collisioni

La quantità di energia che l'elettrone veloce ha perso nel suo viaggio attraverso il materiale fornisce informazioni sulla profondità con cui è penetrato nel materiale. Questo a sua volta fornisce informazioni sulla profondità alla quale gli elettroni più lenti sono stati rilasciati dalla loro posizione.

Questi dati possono ora essere utilizzati per calcolare in che misura e in che modo gli elettroni lenti nel materiale rilasciano la loro energia. Le teorie numeriche su questo possono essere convalidate in modo affidabile per la prima volta utilizzando i dati.

Ciò ha portato a una sorpresa:prima si pensava che il rilascio di elettroni nel materiale avvenisse a cascata:un elettrone veloce entra nel materiale e colpisce un altro elettrone, che viene poi strappato via dal suo posto, provocando lo spostamento di due elettroni. Questi due elettroni rimuoverebbero quindi altri due elettroni dal loro posto e così via.

I nuovi dati mostrano che questo non è vero:l'elettrone veloce subisce invece una serie di collisioni, ma conserva sempre gran parte della sua energia e solo un elettrone relativamente lento si stacca dal suo posto in ciascuna di queste interazioni.

"Il nostro nuovo metodo offre opportunità in aree molto diverse", afferma Werner. "Ora possiamo finalmente studiare come gli elettroni rilasciano energia nella loro interazione con il materiale.

"È proprio questa energia che determina se le cellule tumorali possono essere distrutte nella terapia del cancro, ad esempio, o se i dettagli più fini di una struttura semiconduttrice possono essere formati correttamente nella litografia a fascio di elettroni."