Потужні лазери проливають нове світло на динаміку електронів у рідинах

Джерело: Інститут структури і динаміки матерії Товариства Макса Планка

Міжнародна група дослідників Інституту структури і динаміки матерії Товариства Макса Планка в Гамбурзі (MPSD) та Швейцарської вищої технічної школи Цюриха продемонструвала, що за допомогою потужних лазерних полів можна дослідити динаміку електронів у рідинах і визначити середній вільний пробіг електрона — середню відстань, яку може подолати електрон до зіткнення з іншою частинкою.

Вчені виявили, що механізм, за допомогою якого рідини випромінюють певний спектр світла, відомий як спектр високих гармонік, помітно відрізняється від того, що відбувається в інших фазах матерії, таких як гази і тверді тіла. Висновки команди дослідників відкривають шлях до глибшого розуміння надшвидкої динаміки в рідинах.

Використання потужних лазерних полів для генерації високоенергетичних фотонів, відоме як генерація високих гармонік — широко розповсюджений метод, який регулярно застосовують у різних галузях науки. Наприклад, для дослідження руху електронів у матеріалах або відстеження хімічних реакцій протягом певного часу. Науковці інтенсивно вивчають генерацію високих гармонік у газах і, віднедавна, в кристалах, але на сьогоднішній день набагато менше відомо про це явище саме в рідинах.

Тепер швейцарсько-німецька дослідницька група повідомляє в журналі Nature Physics про те, як вона продемонструвала унікальну взаємодію рідин при опроміненні їх потужними лазерами. Досі майже нічого не було відомо про ці індуковані світлом процеси в рідинах — разючий контраст з нещодавнім науковим прогресом у вивченні поведінки твердих тіл під впливом опромінення.

Тому експериментальна група з Швейцарської вищої технічної школи Цюриха розробила унікальний апарат для спеціального вивчення взаємодії рідин з потужними лазерами. Дослідники виявили особливу ситуацію, коли максимальна енергія фотонів, отримана за допомогою генерації високих гармонік в рідинах, не залежить від довжини хвилі лазера. Тож який чинник визначає цю верхню межу?

Саме це питання поставила собі за мету вирішити група дослідників теорії з MPSD. Важливо, що гамбурзькі дослідники виявили новий зв’язок.

«Відстань, яку може подолати електрон у рідині до зіткнення з іншою частинкою, становить вирішальний фактор, обмежуючи енергію фотонів, — зазначив науковий працівник MPSD Ніколя Танконьє-Дежан, співавтор дослідження. — Ми змогли отримати цю величину (відому як середній ефективний вільний пробіг електрона) з експериментальних даних завдяки спеціально розробленій аналітичній моделі, яка враховує розсіювання електронів».

Поєднавши у своєму дослідженні експериментальні та теоретичні результати генерації високих гармонік в рідині, вчені не тільки встановили ключовий фактор, що визначає максимальну енергію фотонів, але й провели перший експеримент з спектроскопії високих гармонік у рідинах. За низької кінетичної енергії, область, яку ми досліджували експериментально, тобто середній ефективний вільний пробіг електронів виміряти дуже складно.

Отже, дослідження групи вчених з Швейцарської вищої технічної школи Цюриха та Інституту структури і динаміки матерії Товариства Макса Планка запропонувало генерацію високих гармонік як новий спектроскопічний інструмент для вивчення рідин і, відповідно, є важливим кроком у прагненні пізнати динаміку електронів у рідинах.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Intense lasers shine new light on the electron dynamics of liquids» на сайті Phys.org 28 вересня 2023 року.

Переклали Ірина Тесленко і Катерина Шарабура