Исследователи использовали интенсивные лазерные поля, чтобы выявить уникальную динамику электронов в жидкостях, предоставив новое представление о спектре гармоник высокого порядка и раскрыв важность длины свободного пробега электронов в определении предела энергии фотонов. Поведение электронов в жидкостях играет важную роль во многих химических процессах, важных для живых существ и мира в целом. Например, более медленные электроны в жидкостях могут привести к разрыву нитей ДНК.

Интенсивные лазерные импульсы (красные) воздействуют на поток молекул воды, вызывая сверхбыстрые динамические изменения электронов в жидкости. Источник изображения: ЙоргМ.Хармс/MPSD

Однако движения электронов трудно уловить, поскольку они происходят за аттосекунды (пять триллионных долей секунды). Поскольку современные лазеры теперь могут работать в таких временных масштабах, ученые могут наблюдать за этими сверхбыстрыми процессами с помощью ряда методов.

Международная группа исследователей теперь продемонстрировала, что можно использовать интенсивные лазерные поля для исследования динамики электронов в жидкостях и определения их средней длины свободного пробега — среднего расстояния, которое электрон может пройти до столкновения с другой частицей.

Чжун Инь из Международного центра инноваций и разведки в области синхротронного излучения Северо-Восточного университета (SRIS), соавтор статьи, сказал: «Мы обнаружили, что механизм, с помощью которого жидкости излучают определенный спектр (то есть спектр гармоник высокого порядка), явно отличается от механизма в других материальных фазах, таких как газы и твердые тела. Наши результаты открывают дверь к более глубокому пониманию сверхбыстрой динамики в жидкостях».

Подробности исследования исследовательской группы были опубликованы в журнале Nature Physics 28 сентября 2023 года.

Технология генерации высоких гармоник

Использование интенсивных лазерных полей для генерации фотонов высокой энергии, явление, известное как генерация гармоник высокого порядка (ГВГ), представляет собой метод, широко используемый во многих различных областях науки, например, для обнаружения движения электронов в материалах или отслеживания химических реакций во времени. Явление генерации гармоник в газах, а в последнее время и в кристаллах широко изучается, но о генерации гармоник в жидкостях известно мало.

Исследовательская группа, в которую также входят ученые из Института структуры и динамики материи Макса Планка (MPSD) в Гамбурге и ETH Цюриха, сообщает об уникальном поведении жидкостей под интенсивным лазерным облучением. До сих пор почти ничего не было известно об этих светоиндуцированных процессах в жидкостях, которые распространены повсеместно и присутствуют в каждой химической реакции. Напротив, в последние годы ученые добились больших успехов в изучении того, как твердые тела ведут себя под воздействием радиации.

Поэтому экспериментальная группа ETH Zurich разработала уникальный прибор, предназначенный для изучения взаимодействия жидкостей с мощными лазерами. Исследователи обнаружили уникальное поведение, при котором максимальная энергия фотонов, получаемая с помощью ГВГ в жидкостях, не зависит от длины волны лазера. Итак, какие факторы вызывают это явление?

Выявление верхнего предела энергии фотонов

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые обнаружили до сих пор не обнаруженную связь.

«Расстояние, которое электрон может пройти до столкновения с другой частицей в жидкости, является ключевым фактором в установлении верхнего предела энергии фотона», — сказал соавтор исследования Николя Танконь-Дежан, исследователь из MPSD. «Мы смогли получить эту величину, называемую эффективной длиной свободного пробега электронов, из экспериментальных данных благодаря специально разработанной аналитической модели, которая учитывает рассеяние электронов».

Объединив результаты экспериментальных и теоретических исследований ГВГ в жидкостях, ученые не только определили ключевые факторы, определяющие максимальную световую энергию, но и предоставили интуитивную модель, объясняющую ее основной механизм.

Инь добавил: «Измерение эффективной средней длины свободного пробега электронов в области низкой кинетической энергии очень сложная задача, и данное исследование делает именно это. В конечном итоге наши совместные усилия делают ГГВГ новым спектроскопическим инструментом для изучения жидкостей и, следовательно, важным краеугольным камнем в изучении динамики электронов в жидкостях».

Это исследование является продолжением предыдущей работы Инь.