Ultranopeat elektronit paljastavat ionisoivan säteilyn signaalin

Atomista elektroneja vapauttava säteily – jota kutsutaan ionisoivaksi säteilyksi – tunkeutuu syvälle rakenteisiin, jolloin voimme kurkistaa materiaalien ja ihmiskehon sisään.

Koska sitä ei voida mitata suoraan, tutkijat havaitsevat sen toissijaisten signaalien, kuten valon tai sähköisten signaalien, kautta, joita syntyy, kun ionisoiva säteily on vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Nämä toissijaiset signaalit ovat kuitenkin usein joko voimakkaita mutta hitaasti kehittyviä tai nopeita mutta heikon vasteen antavia.

Stanfordin yliopiston Diana Jeong, tutkimuksen vastaava kirjoittaja, ryhtyi systemaattisesti tutkimaan ionisaation indusoimia optisia signaalinvoimakkuuksia useissa eri materiaaliluokissa. Ymmärtämällä näitä valoaaltojen synnyttämiä signaaleja hän mietti, voisiko hän löytää havaitsemismenetelmän, joka tarjoaisi parempia kompromisseja.

Vastatakseen tähän kysymykseen Jeong käytti Megaelectronvolt Ultrafast Electron Diffraction (MeV-UED) -instrumenttia. Järjestelmä on tehokas ”elektronikamera”, joka käyttää elektroneja atomien ja molekyylien dynamiikan tutkimiseen.

Kokeissa korkean energian elektronit jäljittelevät PET-kuvantamisen kaltaisissa sovelluksissa esiintyviä ionisaatioprosesseja ja siirtävät energiaa näytteeseen. Mutta hehkun havaitsemisen sijaan synkronoidut laserpulssit tutkivat materiaalin optista vastetta välittömästi ionisaation jälkeen.

Koe toimi: Tiimi sai voimakkaan signaalin ja he pystyivät näkemään ultranopeita muutoksia puolijohteissa. Mutta nämä muutokset yllättivät heidät ja antoivat heille uutta tietämystä siitä, miten materiaalit käyttäytyvät näissä olosuhteissa.

Tutkimusryhmä oli odottanut elektronien tuottaman varauksen jakautuvan tasaisesti koko näytteeseen. Mutta sen sijaan varauksenkuljettajat – atomeista irronneet elektroni-aukko-parit – olivat ahtautuneet yhteen paikallisiksi, tiheiksi taskuiksi.

”Se oli hyvin outoa”, hän sanoi. ”Tiheydet olivat paljon suurempia kuin laskimme.”

Nämä tiheät purskeet siirsivät materiaalien kaistaväliä – energia-aluetta materiaaleissa, joissa ei ole elektronisia tiloja – mikä muutti tapaa, jolla puolijohteet absorboivat ja emittoivat valoa.

Tämän ymmärryksen avulla siitä, miten korkeaenergiset elektronit vaikuttavat näytteisiin – ja miten ne tarjoavat voimakkaita signaaleja näiden eneriatihentymien kautta – voisi kehittää edistyneempiä tunnistustekniikoita.

Tutkijoiden mukaan yksi merkittävimmistä sovelluksista on lääketieteellinen kuvantaminen, jossa yksittäisten ionisoivien hiukkasten erittäin nopea havaitseminen voisi parantaa kuvanlaatua, mahdollistaa pienempien kasvainten havaitsemisen ja mullistaa potilaiden kliinisen diagnoosin ja hoidon

Aiheesta aiemmin:

Terahertsistä biofotoniikkaa

Lasermittaus elävien solujen voimista ja kuvia aivoista

Uusi atomipohjainen lämpötilamittaus on tarkempi