Forskere finder bobler fremskynde energioverførsel

Energi strømmer gennem et system af atomer eller molekyler ved en række processer såsom overførsler, emissioner, eller forfald. Du kan visualisere nogle af disse detaljer som at sende en bold (energien) til en anden (en anden partikel), bortset fra at passet sker hurtigere end et øjebliks blink, så hurtigt, at detaljerne om udvekslingen ikke er godt forstået. Forestil dig, at den samme udveksling sker i et travlt rum, med andre, der støder ind i dig og generelt komplicerer og bremser passet. Derefter, forestil dig, hvor meget hurtigere udvekslingen ville være, hvis alle trådte tilbage og skabte en sikker boble for at passet kunne ske uhindret.

Et internationalt samarbejde mellem forskere, herunder UConn professor i fysik Nora Berrah og postdoktoralforsker og hovedforfatter Aaron LaForge, oplevede denne boblemedierede forbedring mellem to heliumatomer ved hjælp af ultrahurtige lasere. Deres resultater er nu offentliggjort i Fysisk gennemgang X.

Måling af energiudveksling mellem atomer kræver næsten ufatteligt hurtige målinger, siger LaForge.

"Grunden til, at der er brug for kortere tidsskalaer, er, at når man ser på mikroskopiske systemer, som atomer eller molekyler, deres bevægelse er ekstremt hurtig, nogenlunde i størrelsesordenen femtosekunder (10 ^-15 s), hvilket er den tid, det tager dem at flytte et par ångstrømme (10 ^-10 m), "Siger LaForge.

Laforge forklarer, at disse målinger foretages med en såkaldt frielektronlaser, hvor elektroner accelereres til næsten lysets hastighed, derefter bruge magnetsæt, elektronerne er tvunget til at bøje sig, hvilket får dem til at frigive korte bølgelængde lysudbrud. "Med ultrahurtige laserpulser kan du tids-løse en proces for at finde ud af, hvor hurtigt eller langsomt noget sker, "siger LaForge.

Forsøgets første trin var at starte processen, siger LaForge:"Fysikere undersøger og forstyrrer et system for at måle dets reaktion ved at tage hurtige øjebliksbilleder af reaktionen. Således kan i det væsentlige, vi sigter mod at lave en molekylær film af dynamikken. I dette tilfælde, vi startede først dannelsen af ​​to bobler i en helium -nanodroplet. Derefter, ved hjælp af en anden puls, vi fastslog, hvor hurtigt de var i stand til at interagere. "

Med en anden laserpuls målte forskerne, hvordan boblerne interagerer:"Efter at have spændt de to atomer, to bobler dannes omkring atomerne. Så kunne atomerne bevæge sig og interagere med hinanden uden at skulle skubbe mod omgivende atomer eller molekyler, "siger LaForge.

Helium nanodråber blev brugt som modelsystem, da helium er et af de enkleste atomer i det periodiske system, hvilket LaForge forklarer er en vigtig overvejelse. Selvom der er op til omtrent en million heliumatomer i en nanodroplet, den elektroniske struktur er relativt enkel, og interaktionerne er lettere at belyse med færre elementer i systemet at tage højde for.

"Hvis du går til mere komplekse systemer, tingene kan blive mere komplicerede ret hurtigt. For eksempel, selv flydende vand er ret kompliceret, da der kan være interaktioner i selve molekylet, eller det kan interagere med dets tilstødende vandmolekyler, "Siger LaForge.

Sammen med bobledannelse og den efterfølgende dynamik, forskerne observerede energioverførsel, eller forfald, mellem de ophidsede atomer, som var over en størrelsesorden hurtigere end tidligere forventet - så hurtigt som 400 femtosekunder. I starten de var lidt forvirrede over, hvordan man skulle forklare sådan en hurtig proces. De henvendte sig til teoretiske fysikerkolleger, der kunne udføre state-of-the-art simuleringer for bedre at forstå problemet.

"Resultaterne af vores undersøgelse var uklare, men samarbejde med teoretikere tillod os at sømme og forklare fænomenet, "siger LaForge.

Han påpeger, at et spændende aspekt af forskningen er, at vi kan skubbe konvolutten yderligere til at forstå det grundlæggende i disse ultrahurtige processer og bane vejen for ny forskning. Den store innovation er at kunne skabe et middel til at måle interaktioner ned femtosekund eller endda attosekund (10 ^-18 s) tidsskalaer. "Det er virkelig givende, når du kan udføre et temmelig grundlæggende eksperiment, der også kan anvendes på noget mere komplekst, "siger LaForge.

Processen, forskerne observerede, kaldes Interatomic Coulombic Decay (ICD), og er et vigtigt middel for atomer eller molekyler til at dele og overføre energi. Boblerne forbedrede processen, demonstrere, hvordan miljøet kan ændre den hastighed, hvormed en proces sker. Da ICD spiller en vigtig rolle i, hvordan levende væv reagerer på strålingseksponering - ved at skabe elektroner med lav energi, som kan forårsage skade i væv - er disse fund af biologisk betydning, fordi det er sandsynligt, at lignende bobler ville dannes i andre væsker, som vand, og med andre molekyler som proteiner.

"At forstå tidsskalaen for energioverførsel i mikroskopisk skala er afgørende for mange videnskabelige områder, såsom fysik, kemi, og biologi. Den temmelig nylige udvikling af intense, ultrahurtig laserteknologi giver mulighed for tidsopløste undersøgelser med enestående detaljer, åbner et væld af ny information og viden, "siger Berrah.