Une impulsion laser intense (en rouge) frappe un flux de molécules d’eau, induisant une dynamique ultrarapide des électrons dans le liquide. Crédit : Joerg M. Harms / MPSD
Les chercheurs ont utilisé des champs laser intenses pour découvrir la dynamique unique des électrons dans les liquides, fournissant ainsi de nouvelles informations sur le spectre des harmoniques élevées et révélant l’importance du libre parcours moyen de l’électron dans la détermination photon limites énergétiques.
Le comportement des électrons dans les liquides joue un rôle important dans de nombreux processus chimiques importants pour les êtres vivants et pour le monde en général. Par exemple, les électrons lents dans un liquide ont la capacité de provoquer des perturbations dans le système. ADN brin.
Mais les mouvements des électrons sont extrêmement difficiles à capturer car ils se produisent en attosecondes : le domaine des quintillionièmes de seconde. Étant donné que les lasers avancés fonctionnent désormais à ces échelles de temps, ils peuvent offrir aux scientifiques un aperçu de ces processus ultrarapides via une gamme de techniques.
Une équipe internationale de chercheurs a démontré qu’il est possible de sonder la dynamique des électrons dans les liquides à l’aide de champs laser intenses et de déterminer le libre parcours moyen d’un électron, c’est-à-dire la distance moyenne qu’un électron peut parcourir avant d’entrer en collision avec une autre particule.
« Nous avons découvert que le mécanisme par lequel les liquides émettent un spectre lumineux particulier, connu sous le nom de spectre harmonique élevé, est nettement différent de celui des autres phases de la matière comme les gaz et les solides », a déclaré Zhong Yin du Centre international de synchrotron de l’Université de Tohoku. Radiation Innovation Smart (SRIS) et co-premier auteur de l’article. « Nos découvertes ouvrent la porte à une compréhension plus approfondie de la dynamique ultrarapide dans les liquides. »
Les détails des recherches du groupe ont été publiés le 28 septembre 2023 dans la revue Physique naturelle.
La technique de génération d’harmoniques élevés
L’utilisation de champs laser intenses pour générer des photons de haute énergie, un phénomène connu sous le nom de génération d’harmoniques élevés (HHG), est une technique largement utilisée dans de nombreux domaines scientifiques, par exemple pour sonder le mouvement électronique dans les matériaux ou pour suivre les réactions chimiques dans le temps. . Le HHG a été largement étudié dans les gaz et plus récemment dans les cristaux, mais on en sait beaucoup moins sur les liquides.
L’équipe de chercheurs, qui comprenait également des scientifiques de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) de Hambourg et de l’ETH Zurich, a rendu compte du comportement unique des liquides lorsqu’ils sont irradiés par des lasers intenses. Jusqu’à présent, on ne sait presque rien de ces processus induits par la lumière dans les liquides, qui nous entourent partout et sont présents dans chaque réaction chimique. En revanche, les scientifiques ont fait des progrès significatifs ces dernières années dans l’exploration du comportement des solides sous irradiation.
C’est pourquoi l’équipe expérimentale de l’ETH Zurich a développé un appareil unique pour étudier spécifiquement l’interaction des liquides avec des lasers intenses. Les chercheurs ont découvert un comportement distinctif dans lequel l’énergie photonique maximale obtenue grâce au HHG dans les liquides était indépendante de la longueur d’onde du laser. Quel en était alors le facteur responsable ?
Découvrir le plafond énergétique des photons
En cherchant à répondre à cette question, les scientifiques ont identifié un lien qui n’avait pas encore été découvert.
« La distance qu’un électron peut parcourir dans le liquide avant d’entrer en collision avec une autre particule est le facteur crucial qui impose un plafond à l’énergie des photons », a déclaré Nicolas Tancogne-Dejean, chercheur au MPSD et co-auteur de l’étude. « Nous avons pu extraire cette quantité – connue sous le nom de libre parcours moyen effectif des électrons – à partir des données expérimentales grâce à un modèle analytique spécialement développé qui prend en compte la diffusion des électrons. »
En combinant des résultats expérimentaux et théoriques dans leur étude du HHG dans les liquides, les scientifiques ont non seulement identifié le facteur clé qui détermine l’énergie photo maximale, mais ont également fourni un modèle intuitif pour élucider le mécanisme fondamental.
« Mesurer le libre parcours moyen effectif des électrons est très difficile dans la région des faibles énergies cinétiques, comme cela a été fait dans cette étude », a ajouté Yin. « En fin de compte, notre effort de collaboration fait du HHG un nouvel outil spectroscopique pour étudier les liquides et constitue donc un tremplin important dans la quête pour comprendre la dynamique des électrons dans les liquides. »
La recherche s’inscrivait dans la continuité des travaux antérieurs de Yin.
