Спектроскопия высоких гармоник динамики рассеяния низкоэнергетических электронов в жидкостях
Международная группа исследователей из Института структуры и динамики материи Макса Планка (MPSD) в Гамбурге и ETH Цюриха продемонстрировала, что можно исследовать динамику электронов в жидкостях с помощью интенсивных лазерных полей и определить длину свободного пробега электронов — среднее расстояние, которое может пройти электрон до столкновения с другой частицей. Обнаружено, что механизм, с помощью которого жидкости излучают определенный световой спектр, известный как спектр высоких гармоник, заметно отличается от механизма в других фазах вещества, таких как газы и твердые тела. Результаты команды открывают дверь к более глубокому пониманию сверхбыстрой динамики в жидкостях.
Интенсивный лазерный импульс (красный) поражает поток молекул воды, вызывая сверхбыструю динамику электронов в жидкости.
Фото: Йорг М. Хармс / MPSD
Использование интенсивных лазерных полей для генерации фотонов высокой энергии, известное как генерация высоких гармоник (ГВГ), является широко распространенным методом, который регулярно применяется во многих различных областях науки, например, для исследования движения электронов в материалах или отслеживания химических реакций во времени. ГГВГ широко изучался в газах, а в последнее время и в кристаллах, но на сегодняшний день об этом явлении в жидкостях известно гораздо меньше.
Теперь швейцарско-немецкая исследовательская группа сообщает в журнале Nature Physics, как она продемонстрировала уникальное поведение жидкостей при облучении интенсивными лазерами. До сих пор почти ничего не известно об этих светоиндуцированных процессах в жидкостях, что резко контрастирует с недавним научным прогрессом в изучении того, как твердые тела ведут себя при облучении.
Поэтому экспериментальная группа ETH Zurich разработала уникальный аппарат для изучения взаимодействия жидкостей с мощными лазерами. Исследователи обнаружили характерное поведение, при котором максимальная энергия фотонов, получаемая с помощью ГВГ в жидкостях, не зависит от длины волны лазера. Так какой же фактор отвечает за этот верхний предел?
Именно этот вопрос и намеревалась решить группа теории MPSD. Важно отметить, что исследователи из Гамбурга выявили связь, которая до сих пор не была обнаружена.
«Расстояние, которое электрон может пройти в жидкости перед столкновением с другой частицей, является решающим фактором, который устанавливает потолок энергии фотона », — сказал исследователь MPSD Николя Танконь-Дежан, соавтор исследования. «Мы смогли получить эту величину, известную как эффективная длина свободного пробега электронов, из экспериментальных данных благодаря специально разработанной аналитической модели, которая учитывает рассеяние электронов».
Объединив экспериментальные и теоретические результаты исследования ГГВГ в жидкостях, ученые не только определили ключевой фактор, определяющий максимальную фотоэнергию, но и провели первый эксперимент по спектроскопии высоких гармоник в жидкостях. При низкой кинетической энергии (область, исследованная экспериментально), эффективную длину свободного пробега электронов очень трудно измерить.
Таким образом, работа команды ETZ Zurich / MPSD делает HHG новым спектроскопическим инструментом для изучения жидкостей и, следовательно, важным шагом на пути к пониманию динамики электронов в жидкостях.
