Des chercheurs de la TU Wien ont créé une méthode pour étudier les électrons lents dans les matériaux en utilisant des électrons rapides, remettant en question les croyances antérieures sur la dynamique des interactions électroniques. Leurs découvertes, qui montrent que des électrons lents sont libérés par des collisions individuelles plutôt que par des cascades, ont des implications significatives pour le traitement du cancer et la microélectronique.
Les électrons lents sont utilisés dans le traitement du cancer ainsi qu'en microélectronique, mais il est très difficile d'observer leur comportement dans les solides. Mais maintenant, les scientifiques de la TU Wien ont rendu cela possible.
Les électrons peuvent se comporter très différemment selon la quantité d’énergie dont ils disposent. Lorsque des électrons, qu’ils soient de haute ou de basse énergie, sont projetés dans un corps solide, ils peuvent produire divers effets. Les électrons de faible énergie peuvent contribuer au développement du cancer, mais ils peuvent également être exploités pour détruire les tumeurs. Ils sont également importants en technologie, par exemple pour la production de minuscules structures en microélectronique.
Ces électrons lents sont cependant extrêmement difficiles à mesurer. Les connaissances sur leur comportement dans les matériaux solides sont limitées et les scientifiques ne peuvent souvent s'appuyer que sur des essais et des erreurs. Cependant, la TU Wien a réussi à obtenir de nouvelles informations précieuses sur le comportement de ces électrons : des électrons rapides sont utilisés pour générer des électrons lents directement dans le matériau. Cela permet de déchiffrer des détails qui étaient auparavant inaccessibles expérimentalement. La méthode a maintenant été présentée dans la revue Lettres d'examen physique.
Deux types d'électrons en même temps
« Nous nous intéressons à ce que font les électrons lents à l'intérieur d'un matériau, par exemple à l'intérieur d'un cristal ou d'une cellule vivante », explique le professeur Wolfgang Werner de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien. « Pour le savoir, il faudrait en effet construire un mini-laboratoire directement dans la matière pour pouvoir mesurer directement sur place. Mais ce n’est évidemment pas possible.»
Felix Blödorn, Julian Brunner, Alessandra Bellissimo, Florian Simperl, Wolfgang Werner. Crédit : TU Vienne
Vous ne pouvez mesurer que les électrons qui sortent du matériau, mais cela ne vous dit pas où dans le matériau ils ont été libérés ni ce qui leur est arrivé depuis. L'équipe de la TU Wien a résolu ce problème à l'aide d'électrons rapides qui pénètrent dans le matériau et y stimulent divers processus. Par exemple, ces électrons rapides peuvent perturber l’équilibre entre les charges électriques positives et négatives du matériau, ce qui peut alors amener un autre électron à se détacher de sa place, à se déplacer à une vitesse relativement faible et dans certains cas à s’échapper du matériau.
L’étape cruciale est désormais de mesurer simultanément ces différents électrons : « D’une part, nous envoyons un électron dans la matière et mesurons son énergie lorsqu’il en ressort. D’un autre côté, nous mesurons également quels électrons lents sortent simultanément du matériau. Et en combinant ces données, il est possible d’obtenir des informations auparavant inaccessibles.
Pas une cascade sauvage, mais une série de collisions
La quantité d’énergie perdue par l’électron rapide au cours de son voyage à travers le matériau fournit des informations sur la profondeur avec laquelle il a pénétré le matériau. Cela fournit à son tour des informations sur la profondeur à laquelle les électrons les plus lents ont été libérés de leur emplacement.
Ces données peuvent désormais être utilisées pour calculer dans quelle mesure et de quelle manière les électrons lents du matériau libèrent leur énergie. Les théories numériques à ce sujet peuvent être validées de manière fiable pour la première fois en utilisant les données.
Cela a créé une surprise : on pensait auparavant que la libération des électrons dans le matériau se produisait en cascade : un électron rapide pénètre dans le matériau et heurte un autre électron, qui est ensuite arraché de son emplacement, provoquant le déplacement de deux électrons. Ces deux électrons enlèveraient alors deux électrons supplémentaires de leur place, et ainsi de suite. Les nouvelles données montrent que cela n’est pas vrai : l’électron rapide subit une série de collisions, mais conserve toujours une grande partie de son énergie et un seul électron relativement lent se détache de sa place dans chacune de ces interactions.
«Notre nouvelle méthode offre des opportunités dans des domaines très différents», déclare Wolfgang Werner. « Nous pouvons enfin étudier comment les électrons libèrent de l’énergie lors de leur interaction avec le matériau. C’est précisément cette énergie qui détermine si les cellules tumorales peuvent être détruites dans le traitement du cancer, par exemple, ou si les détails les plus fins d’une structure semi-conductrice peuvent être correctement formés par lithographie par faisceau d’électrons.
