Presso l’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn) del Cnr di Milano
un gruppo di ricerca internazionale è riuscito per la prima volta a misurare il
moto disordinato degli elettroni all’interno di un materiale isolante.
Lo
studio, pubblicato su Nature Physics,
potrebbe avere importanti ricadute in ambito radioterapico
Presso l’Istituto di fotonica e
nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Ifn-Cnr) di Milano un
gruppo internazionale di ricercatori è riuscito per la prima volta a misurare
in tempo reale il moto disordinato degli elettroni ‘liberi’ che si genera
all’interno di un materiale isolante (dielettrico) a seguito dell’interazione con
fotoni ad alta energia. Lo studio, pubblicato su Nature Physics apre importanti prospettive in ambito medico, in
particolare per la possibilità di migliorare le tecniche di radioterapia. Il
lavoro è stato condotto in collaborazione con ricercatori dell’Ifn-Cnr di
Padova, del Politecnico di Milano, del Center for Free-Electron Laser Science (Cfel-Desy)
di Amburgo, della Ludwig-Maximilians-Universität e del Max Planck Institute of
Quantum Optics (Mpq) di Monaco di Baviera e dell’Università di Rostock.
La tecnica si realizza sulla
scala temporale degli ‘attosecondi’ (un attosecondo è pari a un miliardesimo di
miliardesimo di secondo): nello studio, infatti, impulsi di luce nell’estremo
ultravioletto della durata di poche centinaia di attosecondi sono stati utilizzati
per ionizzare nanoparticelle di vetro e ‘attivare’ la dinamica ultraveloce
degli elettroni. Una volta ionizzati, gli elettroni urtano inevitabilmente con
gli atomi del materiale dando origine a un moto completamente disordinato: a seguito
di un numero arbitrario di collisioni, gli elettroni vengono poi rilasciati
dalla superficie del materiale. Quello che i ricercatori sono riusciti per la
prima volta a cronometrare -utilizzando una tecnica laser denominata Attosecond Streaking Spectroscopy - è il
ritardo accumulato dall’elettrone tra l’istante di ionizzazione e l’istante di ‘uscita’
dalla superficie del materiale dielettrico, pari a 150 attosecondi. Un
sofisticato modello teorico, sviluppato dai ricercatori dell’Università di
Rostok, è stato infine impiegato per ricondurre il ritardo misurato ad un tempo
medio di urto anelastico pari a 370 attosecondi.
“A ogni collisione il cammino che
compiono gli elettroni all’interno del materiale si allunga, essi impiegano cioè
più tempo ad uscire dalla nanoparticella. La possibilità di misurare il tempo
che intercorre tra un urto e il successivo è di cruciale importanza ai fini di
ricostruire le proprietà di trasporto di un materiale. Misurare tali proprietà
ci può indicare, per esempio, quanto il materiale sia adatto ad essere
utilizzato per una futura elettronica ultraveloce guidata da impulsi laser”, spiega
la ricercatrice Francesca Calegari (Ifn-Cnr e Cfel-Desy).
Ma la tecnica sviluppata dagli
scienziati potrà inoltre trovare importanti applicazioni in ambito medico: il
tessuto umano è infatti considerato un materiale dielettrico, spesso
modellizzato come ‘acqua solida’. L’interazione di fotoni ad alta energia con
il tessuto umano nella radioterapia porta all’inevitabile ionizzazione e
generazione di moltissimi elettroni liberi. Tali elettroni trasferiscono la
loro energia, mediante urti anelastici, alle molecole del tessuto provocandone
la distruzione. Uno studio dettagliato dei parametri di urto anelastico è
dunque necessario per ottimizzare il trattamento di tumori. “I parametri da noi
misurati possono essere inseriti in apposite simulazioni per studiare
l’ottimizzazione della distruzione di cellule tumorali mediante radioterapia
risparmiando il tessuto sano”, conclude la ricercatrice. Il passo successivo sarà
quello di sostituire le nanoparticelle di vetro con piccolissime gocce d’acqua,
al fine di studiare la propagazione degli elettroni nella sostanza che
maggiormente costituisce i tessuti degli organismi viventi.
