Overraskende langsomme elektroner produceres, når intense lasere rammer klynger af atomer

Forskere fandt ud af, at der produceres relativt langsomme elektroner, når intense lasere interagerer med små klynger af atomer, opadgående teorier.

Intense laser klynge interaktioner opstår, når små klynger af atomer, nanometer (milliarder af en meter) i størrelse, bliver ramt med intense lasere. Dette sker, for eksempel, ved billeddannelse af biomedicinske prøver på ultrahurtige tidsskalaer. Imidlertid, biomolekylerne kan blive beskadiget i denne proces af stråling.

Opdagelsen af ​​langsom, lavenergi-elektroner produceret af de intense laserklynge-interaktioner giver et manglende led i forskernes forståelse af processen, og kunne forklare, hvorfor biomolekyler er beskadiget.

Intense laser klynge interaktioner var kendt for at producere energiske ioner og elektroner, men nu, i et papir, der blev offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , forskere har afsløret, at der også produceres relativt langsomme elektroner i store mængder.

Forstå nanoskalaen

Et team af forskere fra Imperial College London, universitetet i Rostock, Max-Born-instituttet, universitetet i Heidelberg og ELI-ALPS udsatte små klynger bestående af et par tusinde atomer for ultrakort, intense laserpulser. De fandt ud af, at langt de fleste af de udsendte elektroner var meget langsomme og blev udsendt med en forsinkelse i forhold til de mere energiske elektroner.

Lederforsker Dr. Bernd Schütte, der udførte eksperimenterne på Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Mange faktorer, herunder Jordens magnetfelt, påvirker bevægelsen af ​​langsomme elektroner, gør deres opdagelse meget vanskelig og forklarer, hvorfor de ikke er blevet observeret tidligere. Vores observationer var uafhængige af de anvendte specifikke klynge- og laserparametre, og de hjælper os med at forstå de komplekse processer, der udvikler sig på nanoskalaen. "

Når partikler eller klynger på nanoskalaen (nanometer i størrelse) rammes af intense laserpulser, forskellige fænomener frembringes, og de fleste er godt forstået. Imidlertid, generationen af ​​højtladede ioner har hidtil udgjort en gåde for forskere. Dette skyldes, at simuleringer forudsagde, at elektroner og ioner ville rekombinere, reducere ladningen af ​​ionerne.

Løsning af gåden

Opdagelsen af ​​langsomme elektroner løser denne gåde. Fordi de frigives efter de mere energiske elektroner, mange af de langsomme elektroner kan undslippe klyngen af ​​atomer. Som en konsekvens, det bliver meget sværere for de ladede ioner at finde partnerelektroner, som de kan rekombinere med, og mange af dem forbliver stærkt opladede.

Seniorforfatter professor Jon Marangos, fra Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Forskere har studeret den energiske emission af partikler fra laserbestrålede atomklynger siden midten af ​​1990'erne.

"Det overraskende er, at indtil nu er den meget lavere energiforsinkede elektronemission blevet overset. Det viser sig, at dette er en meget stærk egenskab, tegner sig for størstedelen af ​​de udsendte elektroner, og kan spille en stor rolle, når kondenseret stof eller store molekyler af enhver art interagerer med en højintensiv laserpuls. "

Sparker elektroner ud

For at forstå de eksperimentelle observationer, Professor Thomas Fennel og kolleger fra University of Rostock og Max-Born-Institute simulerede laserpulsens interaktion med klyngen. Han sagde:"Vores atomistiske simuleringer viste, at de langsomme elektroner skyldes en totrinsproces, hvis andet trin bygger på et sidste spark, der hidtil er undsluppet forskernes opmærksomhed. "

Først, den intense laserpuls løsner elektroner fra individuelle atomer. Disse elektroner forbliver fanget i klyngen, da de er stærkt tiltrukket af ionerne. Når denne tiltrækning falder, når partiklerne bevæger sig længere væk fra hinanden under klyngeudvidelse, scenen er indstillet til det vigtige andet trin.

Svagt bundne elektroner får deres sidste spark til at flygte fra klyngen, når de kolliderer med en meget ophidset ion. Da sådanne korrelerede processer er ret vanskelige at modellere, computerressourcerne fra Nordtysk Supercomputing Alliance (HLRN) var afgørende for at løse gåden.