Các nhà nghiên cứu đã sử dụng trường laser cường độ cao để khám phá động lực học điện tử độc đáo trong chất lỏng, cung cấp những hiểu biết mới về phổ hài hòa bậc cao và tiết lộ tầm quan trọng của đường đi tự do trung bình của điện tử trong việc xác định giới hạn năng lượng của photon. Hoạt động của các electron trong chất lỏng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hóa học quan trọng đối với các sinh vật sống và thế giới nói chung. Ví dụ, các electron chậm hơn trong chất lỏng có khả năng khiến các chuỗi DNA bị đứt.

Các xung laser cường độ cao (màu đỏ) chạm vào dòng phân tử nước, gây ra sự thay đổi động cực nhanh của các electron trong chất lỏng. Nguồn hình ảnh: Joerg M. Harms/MPSD

Tuy nhiên, rất khó ghi lại chuyển động của electron vì chúng xảy ra trong atto giây (năm phần nghìn tỷ giây). Bởi vì các tia laser tiên tiến hiện có thể hoạt động trong khoảng thời gian như vậy nên các nhà khoa học có thể quan sát những quá trình cực nhanh này thông qua một loạt kỹ thuật.

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế hiện đã chứng minh rằng có thể sử dụng trường laser cường độ cao để thăm dò động lực học của các electron trong chất lỏng và tìm ra đường đi tự do trung bình của chúng - khoảng cách trung bình mà một electron có thể di chuyển trước khi va chạm với một hạt khác.

Zhong Yin từ Trung tâm Quốc tế Tình báo và Đổi mới Bức xạ Synchrotron (SRIS) của Đại học Đông Bắc, đồng tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: "Chúng tôi nhận thấy rằng cơ chế mà chất lỏng phát ra một quang phổ cụ thể (tức là phổ hài hòa bậc cao) tương tự như cơ chế trong các pha vật chất khác như khí và chất rắn. Khác biệt đáng kể. Phát hiện của chúng tôi mở ra cánh cửa cho sự hiểu biết sâu sắc hơn về động lực cực nhanh trong chất lỏng. "

Chi tiết của nhóm nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên vào ngày 28 tháng 9 năm 2023.

Công nghệ tạo sóng hài bậc cao

Sử dụng trường laser mạnh để tạo ra Tạo ra các photon năng lượng cao, một hiện tượng được gọi là tạo ra sóng hài bậc cao (HHG), là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, chẳng hạn như để phát hiện chuyển động của các electron trong vật liệu hoặc theo dõi các phản ứng hóa học theo thời gian. Hiện tượng tạo ra sóng hài trong chất khí và gần đây hơn là trong tinh thể đã được nghiên cứu rộng rãi nhưng người ta biết rất ít về sự tạo ra sóng hài trong chất lỏng.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm cả các nhà khoa học từ Viện Cấu trúc và Động lực học Vật chất Max-Planck (MPSD) ở Hamburg và ETH Zurich, báo cáo về hành vi độc đáo của chất lỏng dưới bức xạ laser cường độ cao. Cho đến nay, hầu như người ta chưa biết gì về các quá trình cảm ứng ánh sáng này trong chất lỏng, chúng có mặt khắp nơi và hiện diện trong mọi phản ứng hóa học. Ngược lại, các nhà khoa học đã có những bước tiến lớn trong những năm gần đây trong việc khám phá cách thức chất rắn hoạt động dưới tác dụng của bức xạ.

Do đó, nhóm thử nghiệm tại ETH Zurich đã phát triển một công cụ độc đáo chuyên nghiên cứu sự tương tác của chất lỏng với tia laser mạnh. Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra một hành trạng độc đáo trong đó năng lượng photon cực đại mà HHG thu được trong chất lỏng không phụ thuộc vào bước sóng laser. Vậy yếu tố nào gây ra hiện tượng này?

Tiết lộ giới hạn trên của năng lượng photon

Để trả lời câu hỏi này, các nhà khoa học đã phát hiện ra một mối liên hệ cho đến nay vẫn chưa được khám phá.

"Khoảng cách mà một electron có thể di chuyển trước khi va chạm với một hạt khác trong chất lỏng là yếu tố then chốt trong việc áp đặt giới hạn trên cho năng lượng của một photon", đồng tác giả nghiên cứu Nicolas Tankogne-Dejean, nhà nghiên cứu tại MPSD, cho biết. “Chúng tôi có thể tìm ra đại lượng này – được gọi là đường tự do trung bình hiệu dụng của electron – từ dữ liệu thực nghiệm nhờ một mô hình phân tích được phát triển đặc biệt có tính đến sự tán xạ của electron.”

Bằng cách kết hợp các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về HHG trong chất lỏng, các nhà khoa học không chỉ xác định được các yếu tố chính quyết định năng lượng ánh sáng tối đa mà còn cung cấp một mô hình trực quan để làm sáng tỏ cơ chế cơ bản của nó.

Yin nói thêm: “Việc đo đường đi tự do trung bình hiệu quả của các electron trong vùng động năng thấp là rất khó khăn và nghiên cứu này thực hiện được điều đó. Cuối cùng, những nỗ lực hợp tác của chúng tôi đã thiết lập HHG như một công cụ quang phổ mới để nghiên cứu chất lỏng và do đó là nền tảng quan trọng trong việc khám phá sự hiểu biết về động lực học của electron trong chất lỏng”.

Nghiên cứu này là sự tiếp nối công việc trước đây của Yin.