Forskning: Oväntad typ av energiöverföring från joner till material

2020-05-14

Uppsalaforskarna Svenja Lohmann och Daniel Primetzhofer har genom att bestråla kiselkristaller med jonstrålar kunnat beskriva hur joner kan växelverka med elektroner i olika material på ett sätt som leder till överföring av oväntat stora mängder energi. Resultaten har nyligen publicerats i Physical Review Letters.

Idag finns det ett antal makroskopiska modeller som beskriver joners växelverkan med material, till exempel inom astrofysik, materialvetenskap och cancerterapi. Det finns dock endast väldigt begränsade modeller för hur denna växelverkan ser ut på nanometerskalan, vilket skulle ge en mer komplett bild av vad som faktiskt händer.

Forskarna har nu kommit ett steg på vägen mot en modell för växelverkan på nanometerskalan där man genomfört experiment på Ångströmlaboratoriet i Uppsala. I experimenten har nanometertunna folier av kiselkristaller bestrålats med jonstrålar av väte- respektive heliumjoner med en ström på endast några femtoampere. Jonerna har sedan transmitterats, det vill säga kommit ut på andra sidan, på grund av att kiselkristallen är så tunn. När jonerna passerat genom kristallen har de växelverkat med denna och tappat en del energi, som sedan har mätts genom så kallade 3D-transmissionsmätningar.

Svenja Lohmann och Daniel Primetzhofer, diskuterar 3D-spektra av partiklar som har passerat nanometerfolier av kiselkristaller. Foto: Mauricio Sortica.


- Vi mätte såväl energi som riktning på de partiklar som lämnade kristallen på andra sidan, säger Svenja Lohmann, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi.

Genom att mäta både energi och riktning på partiklarna, samt utifrån geometrin på den kristall som använts i experimentet, kunde forskarna rekonstruera jonernas växelverkan med kiselkristallen. Framförallt kunde de avgöra om jonens bana kommit nära atomkärnorna eller inte, och på så sätt kunna ta reda på vilka specifika elektroner de kan interagera med i komplexa elektronsystemen i fast materia.

I experimentet gjorde forskarna mätningar på både helium- och vätejoner och använde sig av energier på 50-200 keV, vilket är relativt låga energier jämfört med tidigare mätningar som gjorts. Samtidigt är de undersökta energier särskilt relevanta för många tekniska tillämpningar av jonstrålar. Utöver detta kan resultaten från sådana mätningar användas som testscenario för helt nya beräkningsmodeller av hur elektronerna i olika material reagerar på olika tidsberoende störningar. I tidigare experiment som haft högre ingångsenergier av storleksordningen MeV, har man kunnat observera att joner som kommer nära atomkärnorna tappar mycket mer energi än de joner som inte kommer nära kärnan. Joner som har hög energi kan nämligen excitera elektroner med hög bindningsenergi. Den här effekten kan dock inte uppstå i stor omfattning för låga energier då jonerna inte kan överföra tillräckligt med energi i kollisionerna och elektronerna nära kärnorna lämnas opåverkade.

Bildtext 2: Den geometriska fördelningen av jonernas energiöverföring till kristallen. Figuren visar toppar och dalar beroende på jonernas banor. Motsvarande figur enligt tidigare teorier skulle istället sakna struktur. Bild: Radek Holenak.

Uppsalaforskarna kunde ändå se att heliumjonerna i experimentet tappade mer energi när de rörde sig nära atomkärnorna. Däremot observerades inte denna effekt för vätejonerna. Energiskillnaden mellan de olika jonbanorna blir dessutom större för de heliumjonerna som är långsammare. Förklaringen kan återigen kopplas till komplexa störningar av materialets elektronsystem. För de joner som har en lägre hastighet och kommer nära atomkärnan kan elektroner nämligen under vissa förutsättningar hoppa mellan atom och jon. Processen leder till en stadig fluktuation i jonernas laddningstal och innebär ett genomsnittligt högre laddningstal. Joner med högre laddningstal växelverkar mer med elektronerna och tappar mer energi. Anledningen till att denna effekt inte kunde observeras för vätejonerna beror på att det inte finns samma elektronutbytesprocesser för vätejonerna.

- I tidigare experiment i mer komplicerade system har man redan kunnat observera att helium ibland beter sig annorlunda mot väte. Men det har varit oklart hur relevant detta har varit för växelverkan mellan joner och materia i stort. I vårt experiment har vi kunnat identifiera det specifika sätt på vilket heliumjoner kan överföra energi mot vad som tidigare varit känd, säger Daniel Primetzhofer, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi och föreståndare för Tandemlaboratoriet.

Forskarnas nya resultat hur joner kan överföra energi till elektroner är viktigt för att kunna förstå strålpåverkan i fast materia inom ett flertal forskningsområden, såsom de tidigare nämnda områdena astrofysik, materialvetenskap och cancerterapi.

Uppsalaforskarna förväntar sig att energifördelningen av elektronerna som skapas under jonbestrålningen, de så kallade sekundärelektronerna, påverkas tydligt av det nyupptäckta sättet för energiöverföring. Det är nämligen sekundärelektronerna som oftast står för strålpåverkan av material.

- De här nya forskningsresultaten behöver nu tas med i beräkningar för att kunna förbättra modeller för jonbestrålning på jorden, men också av hur till exempel stenar på månen eller kometer förändras genom solvinden, som består av just joner med den undersökta energin, säger Daniel Primetzhofer.

För att få en klarare bild av vilka forskningsområden som påverkas av de nya resultaten i stor utsträckning har forskarna redan påbörjat nya experiment. I de nya experimenten undersöker man bland annat i vilken omfattning resultaten även gäller för tyngre joner.

Experimenten har haft karaktären av en internationell tävling då forskargrupper i bland annat Kanada, Luxemburg och Tyskland också studerar liknande system bland annat med heliumjonmikroskop.

Artikelreferens

Svenja Lohmann, & Daniel Primetzhofer, Disparate Energy Scaling of Trajectory-Dependent Electronic Excitations for Slow Protons and He IonsPhys. Rev. Lett. 124, 096601(2020). Publication Date: March 2, 2020, DOI: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.096601

Camilla Thulin