能量通过一系列的过程,如传递、释放或衰变,在原子或分子系统中流动。你可以想象其中的一些细节,例如将球(能量)传递给其他人(另一个粒子),只不过传递的速度比眨眼还要快,以至于关于交换的细节还没有被很好地理解。想象一下,同样的交流发生在一个繁忙的房间里,其他人撞到你,通常会使过程变得复杂和缓慢。然后,想象一下,如果每个人都退后一步,创造一个安全的泡沫,让传球不受阻碍地进行,交换将会快得多。

研究人员发现气泡加速了能量传递 将开启新的时代

康涅狄格大学物理学教授Nora Berrah和博士后研究员、第一作者Aaron LaForge在内的科学家的一项国际合作,使用超快激光器见证了这种气泡介导的两个氦原子之间的增强。他们的研究结果现在发表在《物理评论X》(“Ultrafast Resonant Interatomic Coulombic Decay Induced by Quantum Fluid Dynamics”)上。


LaForge说,测量原子之间的能量交换需要几乎难以想象的快速测量。


需要更短时间尺度的原因是,当你观察微观系统,比如原子或分子,它们的运动非常快,大约在飞秒(10-15秒)的量级,这是它们移动几埃(10-10米)所需要的时间,LaForge说。


Laforge解释说,这些测量是用一种所谓的自由电子激光来完成的,在这种激光中,电子被加速到接近光速,然后使用一组磁铁,迫使电子波动,这导致它们释放出短波长的光爆发。有了超快的激光脉冲,你就可以对一个过程进行时间解析,从而弄清楚某些事情发生的快慢程度,LaForge说。

研究人员发现气泡加速了能量传递 将开启新的时代

实验的第一步是启动这个过程,LaForge说,物理学家探测和扰动一个系统,通过快速拍摄反应的快照来测量它的反应。因此,从本质上说,我们的目标是制作一个动态的分子电影。在这种情况下,我们首先开始在一个氦纳米液滴中形成两个气泡。然后,使用第二个脉冲,我们确定了它们能够以多快的速度相互作用。


通过第二个激光脉冲,研究人员测量了气泡之间的相互作用,在激发两个原子后,两个气泡在原子周围形成。这样,原子就可以移动并相互作用,而不必推动周围的原子或分子。


氦纳米液滴被用作一个模型系统,因为氦是元素周期表中最简单的原子之一,LaForge解释说这是一个重要的考虑因素。尽管在一个纳米液滴中大约有一百万个氦原子,但其电子结构相对简单,而且用系统中较少的元素来解释氦原子间的相互作用也更容易阐明。


如果你使用更复杂的系统,事情可能会很快变得更复杂。例如,即使是液态水也是相当复杂的,因为分子本身可以相互作用,或者它可以与邻近的水分子相互作用,LaForge说。


随着气泡的形成和随后的动力学过程,研究人员观察到了激发态原子之间的能量转移或衰变,这比之前预期的快了一个数量级——快到400飞秒。起初,他们对如何解释这么快的过程有些困惑。他们找到了理论物理学家的同事,他们可以进行最先进的模拟,以更好地理解这个问题。


我们的调查结果尚不清楚,但与理论家的合作使我们能够确定并解释这一现象,LaForge说。


他指出,这项研究的一个令人兴奋的方面是,我们可以进一步了解这些超快过程的基本原理,并为新的研究铺平道路。最大的创新是能够创造出一种测量飞秒甚至阿秒(10-18秒)时间尺度下的交互作用的方法。LaForge说,当你可以进行一个非常基础的实验,同时也可以应用到更复杂的事情上时,这是非常值得的。


研究人员观察到的过程称为原子间库仑衰变(ICD),是原子或分子共享和传递能量的重要手段。气泡增强了这个过程,展示了环境如何改变过程发生的速度。ICD以来扮演着一个重要的角色在生活组织如何应对辐射,通过创建低能量电子可以在组织内造成损害,这些发现生物的重要性,因为它可能是类似的泡沫将在其它液体形式,像水一样,与其他分子的蛋白质。


在微观尺度上理解能量转移的时间尺度对于许多科学领域,如物理、化学和生物学,是至关重要的。最近密集的、超快的激光技术的发展使得时间分辨的研究得以进行,并且具有前所未有的细节,从而开启了丰富的新信息和知识。


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