新方法揭开了慢电子之谜

诸平

Felix Blödorn, Julian Brunner, Alessandra Bellissimo, Florian Simperl, Wolfgang Werner

据奥地利维也纳工业大学(Vienna University of Technology / Technische Universität Wien简称TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E134, Vienna, Austria)2024年5月13日提供的消息，慢电子不仅用于微电子学，也用于癌症治疗。很难观察它们在固体中的行为。但维也纳工业大学（TU Wien）的科学家们已经使这成为可能（New method unravels the mystery of slow electrons）。

电子的行为会因能量的多少而大不相同。将高能电子或低能电子发射到固体中决定了可以触发哪些效应。例如，低能量的电子可能导致癌症的发展，但反过来，它们也可以用来摧毁肿瘤。它们在技术上也很重要，例如在微电子（microelectronics）的微小结构生产中。

然而，这些慢电子是极难测量的。关于它们在固体材料中的行为的知识是有限的，科学家们常常只能依靠试错法（trial and error）。然而，TU Wien现在已经成功地获得了关于这些电子行为的有价值的新信息:快电子被用来直接在材料中产生慢电子。这使得以前在实验中无法获得的细节得以破译。该方法2024年5月1日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Wolfgang S. M. Werner, Florian Simperl, Felix Blödorn, Julian Brunner, Johannes Kero, Alessandra Bellissimo, Olga Ridzel. Energy Dissipation of Fast Electrons in Polymethylmethacrylate: Toward a Universal Curve for Electron-Beam Attenuation in Solids between ～0 eV and Relativistic Energies. Physical Review Letters, 2024, 132: 186203. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.186203. Published 1 May 2024. https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.186203

参与此项研究的除了来自TU Wien的研究人员之外，还有来自美国泰斯研究（Theiss Research, 7411 Eads Avenue, La Jolla, California, USA）的研究人员。

同时有两种类型的电子（Two types of electrons at the same time）

来自维也纳工业大学应用物理学院（Institute of Applied Physics at TU Wien）的沃尔夫冈·维尔纳教授（Prof Wolfgang Werner）说：“我们对慢电子在材料内部的作用很感兴趣，例如在晶体或活细胞内部。为了找到答案，你实际上必须直接在材料中建立一个小型实验室，以便能够直接在现场进行测量。但然，这是不可能的。”

你只能测量从物质中释放出来的电子，但这并不能告诉你它们在物质的什么地方被释放，以及从那以后它们发生了什么。维也纳工业大学的研究小组在快速电子的帮助下解决了这个问题，这些电子可以穿透材料并在那里刺激各种过程。例如，这些快速电子会扰乱材料正负电荷之间的平衡，从而导致另一个电子从原来的位置分离出来，以相对较低的速度移动，在某些情况下会从材料中逃逸。

现在的关键步骤是同时测量这些不同的电子:“一方面，我们将一个电子射入材料中，并在它再次离开时测量它的能量。另一方面，我们也测量了哪些慢电子同时从材料中出来。”通过结合这些数据，就有可能获得以前无法获得的信息。

不是疯狂的瀑布，而是一系列的碰撞（Not a wild cascade, but a series of collisions）

快速电子在穿过材料的过程中损失的能量提供了它穿透材料的深度的信息。这反过来又提供了关于较慢的电子从其位置释放的深度的信息。这些数据现在可以用来计算材料中的慢电子释放能量的程度和方式。这一数值理论第一次得到了可靠的验证。

这导致了一个惊喜:之前人们认为材料中的电子释放是级联的:一个快速的电子进入材料并撞击另一个电子，然后另一个电子被从原来的位置撕裂，导致两个电子移动。这两个电子会从原来的位置上移走另外两个电子，以此类推。新的数据表明这是不正确的:相反，快速的电子经历了一系列的碰撞，但总是保留了很大一部分能量，只有一个相对较慢的电子在每次相互作用中脱离了它的位置。

沃尔夫冈•维尔纳表示:“我们的新方法在非常不同的领域提供了机会。我们现在终于可以研究电子在与材料相互作用时如何释放能量。例如，正是这种能量决定了肿瘤细胞是否能在癌症治疗中被摧毁，或者是否能在电子束光刻中正确地形成半导体结构的最精细的细节。”

本研究得到了地平线2022年居里夫人行动初始训练网络(Horizon 2022 Marie-Curie Actions Initial Training Network简称ITN) EUSpeclab(Grant No. 101073486)和FP7 People:居里夫人行动初始训练网络(ITN) SIMDALEE2(Grant No. PITN 606988)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Spectroscopy of correlated electron pairs was employed to investigate the energy dissipation process, as well as the transport and the emission of low-energy electrons on a polymethylmethacrylate surface, providing secondary electron spectra causally related to the energy loss of the primary. Two groups are identified in the cascade of slow electrons, corresponding to different stages in the energy dissipation process. The characteristic lengths for attenuation due to collective excitations and momentum relaxation are quantified for both groups and are found to be distinctly different: λ₁ = (12±2) Å and λ₂ = (62±11) Å. The results strongly contradict the commonly employed model of exponential attenuation with the electron inelastic mean free path as characteristic length, but they essentially agree with a theory used for decades in astrophysics and neutron transport, albeit with characteristic lengths expressed in units of angstroms rather than light-years.