بحث جديد.. ما سر الإلكترونات البطيئة عبر الإلكترونات السريعة؟

ابتكر الباحثون في جامعة فيينا للتكنولوجيا، طريقة لدراسة الإلكترونات البطيئة في المواد باستخدام الإلكترونات السريعة، مما يتحدى المعتقدات السابقة حول ديناميكيات التفاعل الإلكتروني. 

النتائج التي توصلوا إليها، والتي تظهر الإلكترونات البطيئة التي يتم إطلاقها من خلال الاصطدامات الفردية بدلا من الشلالات، لها انعكاسات كبيرة على علاج السرطان والالكترونيات الدقيقة.

يمكن أن تتصرف الإلكترونات بشكل مختلف تماما اعتمادا على مقدار الطاقة الموجودة لديها. عندما يتم إطلاق الإلكترونات، سواء كانت ذات طاقة عالية أو منخفضة، إلى جسم صلب، فإنها يمكن أن تنتج تأثيرات مختلفة. يمكن للإلكترونات منخفضة الطاقة أن تساهم في تطور السرطان، ولكن يمكن أيضا تسخيرها لتدمير الأورام. كما أنها مهمة في مجال التكنولوجيا، على سبيل المثال لإنتاج الهياكل الصغيرة في الإلكترونيات الدقيقة.

ومع ذلك، يصعب قياس هذه الإلكترونات البطيئة. المعرفة حول سلوكها في المواد الصلبة محدودة، وفي كثير من الأحيان لا يستطيع العلماء الاعتماد إلا على التجربة والخطأ. 

ومع ذلك، نجحت جامعة فيينا الآن في الحصول على معلومات جديدة قيمة حول سلوك هذه الإلكترونات: تُستخدم الإلكترونات السريعة لتوليد إلكترونات بطيئة مباشرة في المادة. وهذا يسمح بفك تشفير التفاصيل التي لم يكن من الممكن الوصول إليها تجريبيا في السابق. وقد تم الآن عرض هذه الطريقة في مجلة Physical Review Letters.

يقول البروفيسور فولفغانغ فيرنر، من معهد الفيزياء التطبيقية بجامعة فيينا: "نحن مهتمون بما تفعله الإلكترونات البطيئة داخل المادة، على سبيل المثال داخل البلورة أو داخل الخلية الحية. لمعرفة ذلك، سوف يتعين عليك في الواقع بناء مختبر صغير مباشرة في المادة لتتمكن من القياس مباشرة في الموقع. لكن هذا غير ممكن بالطبع".

اظهار أخبار متعلقة

يمكنك فقط قياس الإلكترونات التي تخرج من المادة، لكن هذا لا يخبرك بمكان إطلاقها في المادة وما حدث لها منذ ذلك الحين. قام فريق جامعة فيينا بحل هذه المشكلة بمساعدة الإلكترونات السريعة التي تخترق المادة وتحفز العمليات المختلفة هناك. على سبيل المثال، يمكن لهذه الإلكترونات السريعة أن تخل بالتوازن بين الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة للمادة، مما قد يؤدي بعد ذلك إلى إلكترون آخر ينفصل عن مكانه، ويسافر بسرعة منخفضة نسبيا وفي بعض الحالات يهرب من المادة.

والخطوة الحاسمة الآن هي قياس هذه الإلكترونات المختلفة في وقت واحد: "من ناحية، نطلق إلكترونا إلى المادة ونقيس طاقته عندما يغادرها مرة أخرى. ومن ناحية أخرى، فإننا نقيس أيضا الإلكترونات البطيئة التي تخرج من المادة في نفس الوقت. ومن خلال الجمع بين هذه البيانات، من الممكن الحصول على معلومات لم يكن من الممكن الوصول إليها في السابق".

توفر كمية الطاقة التي فقدها الإلكترون السريع أثناء رحلته عبر المادة معلومات حول مدى عمق اختراقه للمادة. وهذا بدوره يوفر معلومات حول العمق الذي تم فيه إطلاق الإلكترونات الأبطأ من مكانها.

يمكن الآن استخدام هذه البيانات لحساب إلى أي مدى وبأي طريقة تطلق الإلكترونات البطيئة في المادة طاقتها. يمكن التحقق من صحة النظريات العددية حول هذا الأمر بشكل موثوق لأول مرة باستخدام البيانات.

أدى ذلك إلى مفاجأة: كان يُعتقد سابقا أن إطلاق الإلكترونات في المادة يتم بشكل متتالي: يدخل إلكترون سريع إلى المادة ويضرب إلكترونا آخر، والذي ينتزع بعد ذلك من مكانه، مما يتسبب في تحرك إلكترونين. سيزيل هذان الإلكترونان إلكترونين آخرين من مكانهما، وهكذا. تظهر البيانات الجديدة أن هذا غير صحيح: بدلا من ذلك، يخضع الإلكترون السريع لسلسلة من الاصطدامات، لكنه يحتفظ دائما بجزء كبير من طاقته ويتم فصل إلكترون واحد بطيء نسبيا عن مكانه في كل من هذه التفاعلات.

اظهار أخبار متعلقة

يقول فولفغانغ فيرنر: "إن طريقتنا الجديدة توفر فرصا في مجالات مختلفة جدا. يمكننا الآن أخيرا التحقق من كيفية إطلاق الإلكترونات للطاقة أثناء تفاعلها مع المادة. هذه الطاقة بالتحديد هي التي تحدد ما إذا كان من الممكن تدمير الخلايا السرطانية في علاج السرطان، على سبيل المثال، أو ما إذا كان من الممكن تشكيل أدق التفاصيل لبنية أشباه الموصلات بشكل صحيح في الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون".