חוקרים ב-TU Wien יצרו שיטה לחקור אלקטרונים איטיים בחומרים על ידי שימוש באלקטרונים מהירים, וקוראים תיגר על אמונות קודמות לגבי דינמיקה של אינטראקציה אלקטרונית. לממצאים שלהם, המראים שחרור איטי של אלקטרונים באמצעות התנגשויות בודדות ולא במפלים, יש השלכות משמעותיות על טיפול בסרטן ומיקרואלקטרוניקה.
אלקטרונים איטיים משמשים בטיפול בסרטן כמו גם במיקרואלקטרוניקה, עם זאת, קשה מאוד לראות כיצד הם מתנהגים במוצקים. אבל כעת, מדענים ב-TU Wien אפשרו זאת.
אלקטרונים יכולים להתנהג בצורה שונה מאוד בהתאם לכמות האנרגיה שיש להם. כאשר אלקטרונים, בין אם באנרגיה גבוהה ובין אם נמוכה, נורים לתוך גוף מוצק, הם יכולים לייצר השפעות שונות. אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה יכולים לתרום להתפתחות סרטן, אך ניתן לרתום אותם גם להשמדת גידולים. הם חשובים גם בטכנולוגיה, למשל לייצור מבנים זעירים במיקרו-אלקטרוניקה.
עם זאת, אלקטרונים איטיים אלה קשים ביותר למדידה. הידע על התנהגותם בחומרים מוצקים מוגבל, ולעתים קרובות מדענים יכולים להסתמך רק על ניסוי וטעייה. עם זאת, TU Wien הצליחה כעת להשיג מידע חדש וחשוב על התנהגותם של אלקטרונים אלה: אלקטרונים מהירים משמשים ליצירת אלקטרונים איטיים ישירות בחומר. זה מאפשר לפענח פרטים שלא היו נגישים בעבר בניסוי. השיטה הוצגה כעת בכתב העת מכתבי סקירה פיזית.
שני סוגי אלקטרונים בו זמנית
"אנחנו מתעניינים במה שהאלקטרונים האיטיים עושים בתוך חומר, למשל בתוך גביש או בתוך תא חי", אומר פרופ' וולפגנג ורנר מהמכון לפיזיקה שימושית ב-TU Wien. "כדי לגלות, תצטרך למעשה לבנות מיני מעבדה ישירות בחומר כדי שתוכל למדוד ישירות באתר. אבל זה לא אפשרי, כמובן".
פליקס בלדורן, ג'וליאן ברונר, אלסנדרה בליסימו, פלוריאן סימפרל, וולפגנג ורנר. קרדיט: TU Wien
אתה יכול למדוד רק אלקטרונים שיוצאים מהחומר, אבל זה לא אומר לך איפה בחומר הם שוחררו ומה קרה להם מאז. הצוות ב-TU Wien פתר את הבעיה הזו בעזרת אלקטרונים מהירים שחודרים לחומר ומעוררים בו תהליכים שונים. למשל, האלקטרונים המהירים הללו עלולים להפר את האיזון בין המטענים החשמליים החיוביים והשליליים של החומר, מה שעלול להוביל לאחר מכן לאלקטרון אחר שיתנתק ממקומו, נע במהירות נמוכה יחסית ובמקרים מסוימים בורח מהחומר.
הצעד המכריע כעת הוא למדוד את האלקטרונים השונים הללו בו-זמנית: "מצד אחד, אנו יורים אלקטרון לתוך החומר ומודדים את האנרגיה שלו כאשר הוא עוזב שוב. מצד שני, אנחנו גם מודדים אילו אלקטרונים איטיים יוצאים מהחומר בו זמנית". ובשילוב נתונים אלו ניתן לקבל מידע שבעבר לא היה נגיש.
לא מפל פראי, אלא סדרה של התנגשויות
כמות האנרגיה שהאלקטרון המהיר איבד במסעו בחומר מספקת מידע עד כמה הוא חדר לחומר. זה בתורו מספק מידע על העומק שבו השתחררו האלקטרונים האיטיים יותר ממקומם.
כעת ניתן להשתמש בנתונים אלו כדי לחשב באיזו מידה ובאיזה אופן האלקטרונים האיטיים בחומר משחררים את האנרגיה שלהם. ניתן לאמת באופן מהימן תיאוריות מספריות בנושא זה בפעם הראשונה באמצעות הנתונים.
זה הוביל להפתעה: בעבר חשבו ששחרור האלקטרונים בחומר התרחש במפל: אלקטרון מהיר נכנס לחומר ופוגע באלקטרון אחר, שלאחר מכן נתלש ממקומו וגורם לשני אלקטרונים לנוע. שני האלקטרונים הללו היו מסירים שני אלקטרונים נוספים ממקומם, וכן הלאה. הנתונים החדשים מראים שזה לא נכון: במקום זאת, האלקטרון המהיר עובר סדרה של התנגשויות, אך תמיד שומר על חלק גדול מהאנרגיה שלו ורק אלקטרון איטי יחסית אחד מנותק ממקומו בכל אחת מהאינטראקציות הללו.
"השיטה החדשה שלנו מציעה הזדמנויות בתחומים שונים מאוד", אומר וולפגנג ורנר. "עכשיו אנחנו יכולים סוף סוף לחקור כיצד האלקטרונים משחררים אנרגיה באינטראקציה שלהם עם החומר. האנרגיה הזו היא זו שקובעת אם ניתן להשמיד תאי גידול בטיפול בסרטן, למשל, או שמא ניתן ליצור בצורה נכונה את הפרטים הקטנים ביותר של מבנה מוליכים למחצה בליטוגרפיה של אלומת אלקטרונים".
