Une équipe internationale de physiciens a suivi en temps réel le comportement de diffusion des électrons dans un matériau non conducteur. Leurs connaissances pourraient être bénéfiques pour la radiothérapie.

Nous pouvons qualifier les électrons dans les matériaux non conducteurs de « lents ». Typiquement, ils restent fixes dans un endroit, profondément à l'intérieur d'un composite atomique. Il est donc relativement immobile dans un réseau cristallin diélectrique. Cette idylle est aujourd'hui fortement bousculée par une équipe de physiciens dirigée par Matthias Kling, le chef du groupe Ultrafast Nanophotonics du département de physique de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich, et divers instituts de recherche, dont le Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), l'Institut de Photonique et Nanotechnologies (IFN-CNR) de Milan, l'Institut de physique de l'Université de Rostock, l'Institut Max Born (MBI), le Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) et l'Université de Hambourg. Pour la première fois, ces chercheurs ont réussi à observer directement l'interaction de la lumière et des électrons dans un diélectrique, un matériau non conducteur, sur des échelles de temps de l'attoseconde (milliardièmes de milliardième de seconde). L'étude a été publiée dans le dernier numéro de la revue Physique de la nature .

Les scientifiques ont projeté des éclairs lumineux d'une durée de quelques centaines d'attosecondes sur des particules de verre de 50 nanomètres d'épaisseur, qui a libéré des électrons à l'intérieur du matériau. Simultanément, ils ont irradié les particules de verre avec un champ lumineux intense, qui interagit avec les électrons pendant quelques femtosecondes (millionièmes de milliardième de seconde), les faisant osciller. Cela a résulté, généralement, dans deux réactions différentes par les électrons. D'abord, ils ont commencé à bouger, puis est entré en collision avec des atomes à l'intérieur de la particule, élastiquement ou inélastiquement. En raison du réseau cristallin dense, les électrons pouvaient se déplacer librement entre chacune des interactions pendant seulement quelques ångströms (10-10 mètres). « Analogue au billard, l'énergie des électrons est conservée dans une collision élastique, tandis que leur direction peut changer. Pour les collisions inélastiques, les atomes sont excités et une partie de l'énergie cinétique est perdue. Dans nos expériences, cette perte d'énergie entraîne un épuisement du signal électronique que l'on peut mesurer, " explique le professeur Francesca Calegari (CNR-IFN Milan et CFEL/Université de Hambourg).

Puisque le hasard décide si une collision se produit de manière élastique ou inélastique, avec le temps, des collisions inélastiques finiront par se produire, réduire le nombre d'électrons qui ne se sont diffusés que de manière élastique. Utilisant des mesures précises des oscillations des électrons dans le champ lumineux intense, les chercheurs ont réussi à découvrir qu'il faut environ 150 attosecondes en moyenne jusqu'à ce que les électrons en collision élastique quittent la nanoparticule. « Sur la base de notre modèle théorique nouvellement développé, nous avons pu extraire un temps de collision inélastique de 370 attosecondes du délai mesuré. Cela nous a permis de cadencer ce processus pour la première fois, " décrit le professeur Thomas Fennel de l'Université de Rostock et du Max Born Institute de Berlin dans son analyse des données.

Les découvertes des chercheurs pourraient bénéficier à des applications médicales. Avec ces premières mesures ultrarapides mondiales des mouvements des électrons à l'intérieur des matériaux non conducteurs, ils ont obtenu des informations importantes sur l'interaction du rayonnement avec la matière, qui partage des similitudes avec les tissus humains. L'énergie des électrons libérés est contrôlée par la lumière incidente, de telle sorte que le processus puisse être étudié pour une large gamme d'énergies et pour divers diélectriques. "Chaque interaction de rayonnement de haute énergie avec les tissus entraîne la génération d'électrons. Ceux-ci transfèrent à leur tour leur énergie via des collisions inélastiques sur les atomes et les molécules du tissu, qui peut le détruire. Un aperçu détaillé de la diffusion des électrons est donc pertinent pour le traitement des tumeurs. Il peut être utilisé dans des simulations informatiques pour optimiser la destruction des tumeurs en radiothérapie tout en épargnant les tissus sains, » souligne le professeur Matthias Kling de l'impact des travaux. Dans une prochaine étape, les scientifiques envisagent de remplacer les nanoparticules de verre par des gouttelettes d'eau pour étudier l'interaction des électrons avec la substance même qui constitue la plus grande partie des tissus vivants.