一个强烈的激光脉冲(红色部分)撞击水分子流，引起液体中电子的超快动力学。图片来源:Joerg M. Harms / MPSD

研究人员利用强激光场揭示了液体中独特的电子动力学，为高危害性提供了新的见解揭示了电子平均自由程在确定光子能量极限中的意义。

液体中电子的行为在许多化学过程中起着重要作用，这些化学过程对生物和整个世界都很重要。例如，液体中的慢电子有能力破坏DNA链。

但电子的运动极难捕捉，因为它们发生在阿秒内，也就是千分之一秒的范围。由于先进的激光器现在在这些时间尺度上运行，它们可以通过一系列技术为科学家提供这些超快过程的一瞥。

一个国际研究小组现在已经证明，利用强激光场探测液体中的电子动力学是可能的，并可以获得电子的平均自由程——电子在与另一个粒子碰撞之前可以移动的平均距离。

“我们发现液体发出特定光谱的机制，被称为高谐波光谱，与气体和固体等物质的其他相明显不同，”来自东北大学国际同步辐射创新智能中心(SRIS)的钟银说，他是该论文的第一作者之一。“我们的发现为深入了解液体中的超快动力学打开了大门。”

该小组的研究细节于2023年9月28日发表在《自然物理学》杂志上。

的High-Harmonic生成技术

利用强激光场产生高能光子，这种现象被称为高谐波产生(HHG)，是一种广泛应用于许多不同科学领域的技术，例如探测材料中的电子运动，或及时跟踪化学反应。HHG已经在气体和最近的晶体中进行了广泛的研究，但对液体知之甚少。

这组研究人员还包括来自汉堡马克斯普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)和苏黎世联邦理工学院的科学家，他们报告了液体在强激光照射下的独特行为。到目前为止，我们对液体中的这些光诱导过程几乎一无所知，它们无处不在，存在于每一个化学反应中。相比之下，科学家近年来在探索固体在辐照下的行为方面取得了重大进展。

因此，苏黎世联邦理工学院的实验团队开发了一种独特的装置，专门研究液体与强激光的相互作用。研究人员发现了一种独特的行为，在液体中通过HHG获得的最大光子能量与激光的波长无关。那么，是什么因素造成了这种情况呢?

揭开光子能量天花板

为了回答这个问题，科学家们发现了一个迄今为止尚未发现的联系。

“电子在与另一个粒子碰撞之前在液体中移动的距离是施加光子能量上限的关键因素，”MPSD研究员Nicolas tancone - dejean说，他是这项研究的合著者。“我们能够从实验数据中检索到这个数量，即有效电子平均自由程，这要归功于一个专门开发的分析模型，该模型可以解释电子的散射。”

通过结合实验和理论结果对液体中HHG的研究，科学家们不仅确定了决定最大光能的关键因素，而且提供了一个直观的模型来阐明基本机制。

Yin补充说:“正如在这项研究中所做的那样，在低动能区域测量电子的有效平均自由程非常具有挑战性。”“最终，我们的合作努力将HHG建立为研究液体的新光谱工具，因此是寻求理解液体中电子动力学的重要垫脚石。”

这项研究是殷之前工作的延续。

参考文献:Angana Mondal, Ofer Neufeld, Zhong Yin, Zahra Nourbakhsh, Vít Svoboda, Angel Rubio, Nicolas tancone - dejean和Hans Jakob的“液体中低能电子散射动力学的高谐波光谱”W?rner, 2023年9月28日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02214 - 0