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仅需400飞秒!原子间能量转移被大大加速:相邻气泡融合把原子“推”到一起

2021-04-14 09:20 前瞻网   

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,比如把一个球(能量)传递给另一个球(另一个粒子)。只不过,这其中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。如果能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。

包括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。他们的研究结果发表在《物理评论X》(Physical Review X)上。

仅需400飞秒!原子间能量转移被大大加速:相邻气泡融合把原子“推”到一起

研究者使用超短脉冲激光,映射超流体氦纳米液滴随时间变化的“原子间库仑衰变”(Interatomic Coulombic Decay, ICD),发现每个激发原子周围都形成了局部气泡,而相邻气泡的合并会将激发原子“推”到一起。这种气泡介导极大地增强了两个氦原子之间的“原子间库仑衰变”。最后,他们发现原子之间的能量转移或衰变,比先前预计的快了一个数量级——仅需400飞秒。

LaForge表示,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,当你观察微观系统时,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,这是它们移动几埃所需要的时间。”

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。”

实验的第一步是启动这个过程。他们的目标是制作一个动态的分子联构。在这种情况下,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,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。

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——达到400飞秒。基于此,研究人员们将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。

研究人员观察到的过程称为“原子间库仑衰变”(Interatomic Coulombic Decay, 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。

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。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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