Un equipo internacional de físicos ha monitoreado el comportamiento de dispersión de los electrones en un material no conductor en tiempo real. Sus conocimientos podrían ser beneficiosos para la radioterapia.

Podemos referirnos a los electrones en materiales no conductores como "lentos". Típicamente, permanecen fijos en un lugar, en lo profundo de un compuesto atómico. Por tanto, está relativamente quieto en una red cristalina dieléctrica. Este idilio ahora ha sido fuertemente sacudido por un equipo de físicos dirigido por Matthias Kling, el líder del grupo Ultrafast Nanophotonics en el Departamento de Física de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) en Munich, y diversas instituciones de investigación, incluido el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), el Instituto de Fotónica y Nanotecnologías (IFN-CNR) en Milán, el Instituto de Física de la Universidad de Rostock, el Instituto Max Born (MBI), el Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL) y la Universidad de Hamburgo. Por primera vez, estos investigadores lograron observar directamente la interacción de la luz y los electrones en un dieléctrico, un material no conductor, en escalas de tiempo de attosegundos (mil millonésimas de mil millonésimas de segundo). El estudio fue publicado en el último número de la revista. Física de la naturaleza .

Los científicos emitieron destellos de luz que duraron solo unos pocos cientos de attosegundos sobre partículas de vidrio de 50 nanómetros de espesor. que libera electrones dentro del material. Simultaneamente, irradiaron las partículas de vidrio con un intenso campo de luz, que interactuó con los electrones durante unos pocos femtosegundos (millonésimas de mil millonésimas de segundo), haciendo que oscilen. Esto resultó, generalmente, en dos reacciones diferentes de los electrones. Primero, empezaron a moverse, luego chocó con los átomos dentro de la partícula, ya sea de forma elástica o inelástica. Debido a la densa red de cristal, los electrones podían moverse libremente entre cada una de las interacciones durante unos pocos ångstrom (10-10 metros). "Análogo al billar, la energía de los electrones se conserva en una colisión elástica, mientras que su dirección puede cambiar. Para colisiones inelásticas, los átomos se excitan y parte de la energía cinética se pierde. En nuestros experimentos, esta pérdida de energía conduce a un agotamiento de la señal electrónica que podemos medir, "explica la profesora Francesca Calegari (CNR-IFN Milán y CFEL / Universidad de Hamburgo).

Dado que el azar decide si una colisión se produce de forma elástica o inelástica, con el tiempo, eventualmente se producirán colisiones inelásticas, reduciendo el número de electrones que se dispersaron solo elásticamente. Empleando medidas precisas de las oscilaciones de los electrones dentro del campo de luz intensa, los investigadores lograron descubrir que se necesitan alrededor de 150 attosegundos en promedio hasta que los electrones en colisión elástica abandonen la nanopartícula. "Basándonos en nuestro modelo teórico recientemente desarrollado, pudimos extraer un tiempo de colisión inelástica de 370 attosegundos del retardo de tiempo medido. Esto nos permitió cronometrar este proceso por primera vez, "describe el profesor Thomas Fennel de la Universidad de Rostock y el Instituto Max Born de Berlín en su análisis de los datos.

Los hallazgos de los investigadores podrían beneficiar las aplicaciones médicas. Con estas primeras mediciones ultrarrápidas en todo el mundo de los movimientos de electrones en el interior de materiales no conductores, han obtenido información importante sobre la interacción de la radiación con la materia, que comparte similitudes con el tejido humano. La energía de los electrones liberados se controla con la luz incidente, de manera que el proceso se pueda investigar para una amplia gama de energías y para varios dieléctricos. "Cada interacción de la radiación de alta energía con el tejido da como resultado la generación de electrones. Estos, a su vez, transfieren su energía a través de colisiones inelásticas a los átomos y moléculas del tejido, que puede destruirlo. Por lo tanto, la información detallada sobre la dispersión de electrones es relevante para el tratamiento de tumores. Se puede utilizar en simulaciones por ordenador para optimizar la destrucción de tumores en radioterapia sin afectar el tejido sano. "destaca al profesor Matthias Kling sobre el impacto del trabajo. Como siguiente paso, Los científicos planean reemplazar las nanopartículas de vidrio con gotas de agua para estudiar la interacción de los electrones con la sustancia misma que constituye la mayor parte del tejido vivo.