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深度解讀

僅需400飛秒!原子間能量轉(zhuǎn)移被大大加速:相鄰氣泡融合把原子“推”到一起

來源:前瞻網(wǎng)2021-04-14 我要評論(0 )   

能量通過一系列的過程,如傳遞、釋放或衰變,在原子或分子系統(tǒng)中流動。你可以想象其中的一些細節(jié),比如把一個球(能量)傳遞給另一個球(另一個粒子)。只不過,這其中傳遞...

能量通過一系列的過程,如傳遞、釋放或衰變,在原子或分子系統(tǒng)中流動。你可以想象其中的一些細節(jié),比如把一個球(能量)傳遞給另一個球(另一個粒子)。只不過,這其中傳遞的速度比眨眼還要快,以至于關(guān)于交換的細節(jié)還沒有被很好地理解。如果能創(chuàng)造一個安全的泡沫,讓傳球不受阻礙地進行,交換將會快得多。


包括康涅狄格大學物理學教授Nora Berrah和博士后研究員、第一作者Aaron LaForge在內(nèi)的科學家的一項國際合作,使用超快激光器見證了這種氣泡介導的兩個氦原子之間的增強。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論X》(Physical Review X)上。

研究者使用超短脈沖激光,映射超流體氦納米液滴隨時間變化的“原子間庫侖衰變”(Interatomic Coulombic Decay, ICD),發(fā)現(xiàn)每個激發(fā)原子周圍都形成了局部氣泡,而相鄰氣泡的合并會將激發(fā)原子“推”到一起。這種氣泡介導極大地增強了兩個氦原子之間的“原子間庫侖衰變”。最后,他們發(fā)現(xiàn)原子之間的能量轉(zhuǎn)移或衰變,比先前預計的快了一個數(shù)量級——僅需400飛秒。


LaForge表示,測量原子之間的能量交換,需要幾乎難以想象的快速測量。需要更短時間尺度的原因是,當你觀察微觀系統(tǒng)時,比如原子或分子,它們的運動非??欤蠹s在飛秒(10*-15秒)的量級,這是它們移動幾埃所需要的時間?!?/p>


這些測量是用一種所謂的自由電子激光來完成的,在這種激光中,電子被加速到接近光速,然后使用一組磁鐵,迫使電子波動,這導致它們釋放出短波長的光爆發(fā)?!坝辛顺斓募す饷}沖,你就可以對一個過程進行時間解析,從而弄清楚某些事情發(fā)生的快慢程度?!?/p>


實驗的第一步是啟動這個過程。他們的目標是制作一個動態(tài)的分子聯(lián)構(gòu)。在這種情況下,首先開始在一個氦納米液滴中形成兩個氣泡。然后,使用第二個脈沖,確定了它們能夠以多快的速度相互作用。


通過第二個激光脈沖,研究人員測量了氣泡之間的相互作用:“在激發(fā)兩個原子后,兩個氣泡在原子周圍形成。這樣,原子就可以移動并相互作用,而不必推動周圍的原子或分子?!?/p>


氦納米液滴被用作一個模型系統(tǒng),因為氦是元素周期表中最簡單的原子之一,LaForge解釋說這是一個重要的考慮因素。盡管在一個納米液滴中大約有一百萬個氦原子,但其電子結(jié)構(gòu)相對簡單,而且用系統(tǒng)中較少的元素來解釋氦原子間的相互作用也更容易闡明。


隨著氣泡的形成和隨后的動力學過程,研究人員觀察到了激發(fā)態(tài)原子之間的能量轉(zhuǎn)移或衰變,這比之前預期的快了一個數(shù)量級——達到400飛秒?;诖?,研究人員們將能夠創(chuàng)造出一種測量飛秒甚至阿秒(10-18秒)時間尺度下的交互作用的方法。


研究人員觀察到的過程稱為“原子間庫侖衰變”(Interatomic Coulombic Decay, ICD),是原子或分子共享和傳遞能量的重要手段。氣泡增強了這個過程,展示了環(huán)境如何改變過程發(fā)生的速度。


在微觀尺度上理解能量轉(zhuǎn)移的時間尺度,對于許多科學領(lǐng)域,如物理、化學和生物學,是至關(guān)重要的。 


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