強力なレーザが液体の電子動力学に新しい光を当てる

October, 10, 2023, Hamburg--液体中の電子の振る舞いは、広範囲の化学プロセスを決定し、したがって生物および世界全体における重要なプロセスを決定する。しかし、電子の動きはアト秒以内、1秒の100京分の1の領域で起こるため、キャプチャは極めて困難。最先端のレーザは現在これらのタイムスケールで動作するため、様々な技術を介して科学者にこれらの超高速プロセスを垣間見ることができる。

ハンブルクのマックスプランク物質構造ダイナミクス研究所(MPSD)とチューリッヒ工科大学(ETH)の国際研究者チームは、強力なレーザ場を使用して液体中の電子ダイナミクスをプローブし、電子平均自由行程(電子が別の粒子と衝突する前に移動できる平均距離)を取得できることを実証した。研究チームは、液体が高調波スペクトルとして知られる特定の光スペクトルを放出するメカニズムが、気体や固体などの他の物質相のメカニズムとは著しく異なることを発見した。チームの発見は、液体中の超高速ダイナミクスのより深い理解への扉を開く。

高調波発生(HHG)として知られる高エネルギー光子を生成するために強力なレーザフィールドを使用することは、材料の電子運動の調査や化学反応の時間の追跡など、科学のさまざまな分野で日常的に展開されている広範な技術である。HHGは気体中で、また最近では結晶中で広く研究されてきたが、今日まで液体中でのこの現象についてはほとんど知られていない。

現在、スイスとドイツの研究チームは、強力なレーザを照射したときの液体固有の挙動をどのように実証したかをNature Physicsで報告している。これまでのところ、液体中のこれらの光誘起プロセスについてはほとんど何も知られていない。特に固体が照射によりどのように振る舞うかについての最近の科学的進歩とはまったく対照的である。したがって、ETHの実験チームは、液体と強力なレーザとの相互作用を具体的に研究するための独自の装置を開発した。研究チームは、液体中のHHGを介して得られる最大光子エネルギーが、レーザの波長に依存しないという特徴的な振る舞いを発見した。では、代わりにこの上限の原因はどの要因であるか。

それがMPSD理論グループが解決しようとした問題である。重要なことは、ハンブルクの研究者が、これまで発見されていなかった関係を特定したことである。「電子が別の粒子と衝突する前に液体中を移動できる距離は、光子エネルギーに上限を課す重要な要素である」と、研究の共著者、MPSD研究者のNicolas Tancogne-Dejeanはコメントしている。
「電子の散乱を説明する特別に開発された分析モデルにより、実験データからこの量(有効電子平均自由行程として知られる)を取得することができた。」

液体中のHHGの研究における実験結果と理論結果を組み合わせることにより、科学者は最大光エネルギーを決定する重要な要素を特定しただけでなく、液体中の高調波分光法の最初の実験も実行した。低運動エネルギーでは、この研究で実験的に調査された領域では、電子の有効平均自由行程を測定することは極めて困難。したがって、ETZチューリッヒ/MPSDチームによる研究は、液体を研究するための新しい分光ツールとしてHHGを確立し、したがって、液体中の電子のダイナミクスを理解するための重要な足がかりとなる。
(詳細は、https://www.mpsd.mpg.de)