Les chercheurs étudient de nouvelles façons d'éliminer les électrons de la matière. Leurs recherches pourraient avoir des implications pour la radiothérapie.

L'exposition d'un petit amas d'atomes de néon à une rafale très courte et intense de lumière ultraviolette extrême initie un nouveau mécanisme qui produit un grand nombre d'électrons et d'ions.

Une équipe de chercheurs dirigée par le physico-chimiste Kiyoshi Ueda de l'Université de Tohoku a utilisé un laser à électrons libres (FEL) à l'accélérateur de test japonais SPring-8 Compact SASE Source pour étudier comment les électrons sont « coupés » des amas d'atomes de néon. Des impulsions FEL ultra-violettes intenses ont été dirigées vers les amas et la distribution d'énergie résultante des électrons éliminés des amas a été mesurée à l'aide d'un « spectromètre imageur à carte de vitesse ».

Les électrons à l'intérieur d'un matériau absorbent de l'énergie lorsque le matériau est exposé à la lumière. Normalement, cette énergie est utilisée pour « éliminer les électrons » du matériau. Cela ne peut arriver, cependant, si l'énergie de la particule lumineuse, ou 'photon', absorbée par l'électron est supérieure à la quantité d'énergie nécessaire au matériau, ou sa « fonction de travail », pour éjecter l'électron. En 1921, Albert Einstein a remporté un prix Nobel pour avoir décrit cet « effet photoélectrique ».

L'équipe a testé ce qui se passerait lorsqu'elle réglait l'énergie photonique de la lumière FEL en dessous de la fonction de travail des amas d'atomes de néon. Au lieu d'être assommé, lorsqu'un électron étroitement lié à un atome de néon absorbe le photon de plus faible énergie, il devient lâchement lié, provoquant l'excitation de l'atome. Étant donné que l'impulsion FEL est si intense, de nombreux électrons deviennent lâchement liés dans les clusters en même temps ; ce qui signifie que de nombreux atomes deviennent excités. Les électrons sont ensuite éliminés des amas même si l'énergie des photons est inférieure à leur fonction de travail.

L'équipe a découvert que les électrons faiblement liés sont éliminés des amas dans un nouveau processus de « cascade ».

Le processus commence lorsqu'un atome avec un électron faiblement lié interagit avec un atome voisin qui a également un électron faiblement lié. Le premier transfère de l'énergie à son voisin, qui «abat» son propre électron faiblement lié planant dans une orbite «haute énergie» dans une orbite «basse énergie» plus proche du noyau de l'atome. À la fois, l'énergie transférée à l'atome voisin en fait sortir un électron faiblement lié. Le premier atome, qui est maintenant "moins excité", puis interagit avec un autre atome excité voisin, lui donnant également de l'énergie et ainsi se «désexciter» encore plus tout en éliminant un électron d'un autre voisin. Ce processus en cascade se produit dans de nombreuses paires d'atomes excités, entraînant l'émission d'un grand nombre d'électrons de faible énergie.

"Les cascades d'électrons éjectés et descendants produisent plus d'électrons et plus d'ions, endommager davantage l'échantillon. Je suis convaincu que ces cascades pourraient jouer un rôle crucial dans la future radiothérapie, " déclare Lorenz Cederbaum de l'université allemande de Heidelberg, l'un des co-auteurs de l'étude.

La libération d'électrons de faible énergie exposés à une lumière intense peut endommager l'ADN. Ce concept est utilisé en radiothérapie du cancer. Les résultats pourraient avoir des implications pour l'utilisation de la radiothérapie à l'avenir.

Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue Communication Nature .