Forscher haben intensive Laserfelder verwendet, um einzigartige Elektronendynamiken in Flüssigkeiten aufzudecken, was neue Einblicke in das harmonische Spektrum höherer Ordnung lieferte und die Bedeutung der mittleren freien Elektronenweglänge bei der Bestimmung der Photonenenergiegrenze aufdeckte. Das Verhalten von Elektronen in Flüssigkeiten spielt eine wichtige Rolle bei vielen chemischen Prozessen, die für Lebewesen und die Welt insgesamt wichtig sind. Langsamere Elektronen in Flüssigkeiten können beispielsweise dazu führen, dass DNA-Stränge brechen.
Intensive Laserpulse (rot) treffen auf einen Strom von Wassermolekülen und induzieren ultraschnelle dynamische Veränderungen der Elektronen in der Flüssigkeit. Bildquelle: JoergM.Harms/MPSD
Allerdings sind Elektronenbewegungen schwer zu erfassen, da sie in Attosekunden (fünf Billionstelsekunden) stattfinden. Da fortschrittliche Laser jetzt in solchen Zeitskalen arbeiten können, können Wissenschaftler diese ultraschnellen Prozesse mithilfe einer Reihe von Techniken beobachten.
Ein internationales Forscherteam hat nun gezeigt, dass es möglich ist, mithilfe intensiver Laserfelder die Dynamik von Elektronen in Flüssigkeiten zu untersuchen und ihre mittlere freie Weglänge zu ermitteln – die durchschnittliche Entfernung, die ein Elektron zurücklegen kann, bevor es mit einem anderen Teilchen kollidiert.
Zhong Yin vom Synchrotron Radiation Innovation and Intelligence International Center (SRIS) der Northeastern University, Co-Erstautor des Papiers, sagte: „Wir haben herausgefunden, dass der Mechanismus, durch den Flüssigkeiten ein bestimmtes Spektrum (d. h. ein harmonisches Spektrum höherer Ordnung) emittieren, sich deutlich vom Mechanismus in anderen Materialphasen wie Gasen und Feststoffen unterscheidet. Unsere Ergebnisse öffnen die Tür zu einem tieferen Verständnis der ultraschnellen Dynamik in Flüssigkeiten.“
Die Forschungsdetails des Forschungsteams wurden am 28. September 2023 in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Technologie zur Erzeugung hoher Harmonischer
Der Einsatz intensiver Laserfelder zur Erzeugung hochenergetischer Photonen, ein Phänomen, das als High-Order-Harmonic-Generation (HHG) bekannt ist, ist eine Technik, die in vielen verschiedenen Bereichen der Wissenschaft weit verbreitet ist, beispielsweise zur Erkennung der Bewegung von Elektronen in Materialien oder zur zeitlichen Verfolgung chemischer Reaktionen. Das Phänomen der Erzeugung von Harmonischen in Gasen und neuerdings auch in Kristallen wurde eingehend untersucht, über die Erzeugung von Harmonischen in Flüssigkeiten ist jedoch wenig bekannt.
Das Forschungsteam, zu dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der ETH Zürich gehören, berichtet über das einzigartige Verhalten von Flüssigkeiten unter intensiver Laserbestrahlung. Über diese lichtinduzierten Prozesse in Flüssigkeiten, die allgegenwärtig und in jeder chemischen Reaktion vorkommen, war bisher fast nichts bekannt. Im Gegensatz dazu haben Wissenschaftler in den letzten Jahren große Fortschritte bei der Erforschung des Verhaltens von Festkörpern unter Bestrahlung gemacht.
Deshalb hat die Experimentiergruppe der ETH Zürich ein einzigartiges Instrument entwickelt, das sich der Untersuchung der Wechselwirkung von Flüssigkeiten mit leistungsstarken Lasern widmet. Die Forscher entdeckten ein einzigartiges Verhalten, bei dem die maximale Photonenenergie, die HHG in Flüssigkeiten erhält, unabhängig von der Laserwellenlänge ist. Welche Faktoren verursachen dieses Phänomen?
Aufdeckung der Obergrenze der Photonenenergie
Um diese Frage zu beantworten, entdeckten Wissenschaftler einen bisher unentdeckten Zusammenhang.
„Die Entfernung, die ein Elektron zurücklegen kann, bevor es mit einem anderen Teilchen in einer Flüssigkeit kollidiert, ist ein Schlüsselfaktor für die Festlegung einer Obergrenze für die Energie eines Photons“, sagte Nicolas Tankogne-Dejean, Co-Autor der Studie und Forscher am MPSD. „Dank eines speziell entwickelten Analysemodells, das die Streuung von Elektronen berücksichtigt, konnten wir diese Größe – die sogenannte effektive mittlere freie Elektronenweglänge – aus experimentellen Daten ermitteln.“
Durch die Kombination der Ergebnisse experimenteller und theoretischer Studien zu HHG in Flüssigkeiten identifizierten die Wissenschaftler nicht nur die Schlüsselfaktoren, die die maximale Lichtenergie bestimmen, sondern lieferten auch ein intuitives Modell zur Aufklärung ihres grundlegenden Mechanismus.
Yin fügte hinzu: „Die Messung der effektiven mittleren freien Weglänge von Elektronen im Bereich niedriger kinetischer Energie ist eine große Herausforderung, und genau das leistet diese Studie. Letztendlich etablieren unsere gemeinsamen Bemühungen HHG als neues spektroskopisches Werkzeug zur Untersuchung von Flüssigkeiten und damit als wichtigen Eckpfeiler bei der Erforschung des Verständnisses der Elektronendynamik in Flüssigkeiten.“
Diese Forschung ist eine Fortsetzung von Yins früherer Arbeit.