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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(lái)源:前瞻網(wǎng)2021-04-14 我要評(píng)論(0 )   

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

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


包括康涅狄格大學(xué)物理學(xué)教授Nora Berrah和博士后研究員、第一作者Aaron LaForge在內(nèi)的科學(xué)家的一項(xiàng)國(guó)際合作,使用超快激光器見(jiàn)證了這種氣泡介導(dǎo)的兩個(gè)氦原子之間的增強(qiáng)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)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(shí)間變化的“原子間庫(kù)侖衰變”(Interatomic Coulombic Decay, ICD),發(fā)現(xiàn)每個(gè)激發(fā)原子周圍都形成了局部氣泡,而相鄰氣泡的合并會(huì)將激發(fā)原子“推”到一起。這種氣泡介導(dǎo)極大地增強(qiáng)了兩個(gè)氦原子之間的“原子間庫(kù)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(yù)計(jì)的快了一個(gè)數(shù)量級(jí)——僅需400飛秒。


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


這些測(cè)量是用一種所謂的自由電子激光來(lái)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(dòng),這導(dǎo)致它們釋放出短波長(zhǎng)的光爆發(fā)?!坝辛顺斓募す饷}沖,你就可以對(duì)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間解析,從而弄清楚某些事情發(fā)生的快慢程度?!?/p>


實(shí)驗(yàn)的第一步是啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程。他們的目標(biāo)是制作一個(gè)動(dòng)態(tài)的分子聯(lián)構(gòu)。在這種情況下,首先開(kāi)始在一個(gè)氦納米液滴中形成兩個(gè)氣泡。然后,使用第二個(gè)脈沖,確定了它們能夠以多快的速度相互作用。


通過(guò)第二個(gè)激光脈沖,研究人員測(cè)量了氣泡之間的相互作用:“在激發(fā)兩個(gè)原子后,兩個(gè)氣泡在原子周圍形成。這樣,原子就可以移動(dòng)并相互作用,而不必推動(dòng)周圍的原子或分子。”


氦納米液滴被用作一個(gè)模型系統(tǒng),因?yàn)楹な窃刂芷诒碇凶詈?jiǎn)單的原子之一,LaForge解釋說(shuō)這是一個(gè)重要的考慮因素。盡管在一個(gè)納米液滴中大約有一百萬(wàn)個(gè)氦原子,但其電子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,而且用系統(tǒng)中較少的元素來(lái)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(yù)期的快了一個(gè)數(shù)量級(jí)——達(dá)到400飛秒?;诖?,研究人員們將能夠創(chuàng)造出一種測(cè)量飛秒甚至阿秒(10-18秒)時(shí)間尺度下的交互作用的方法。


研究人員觀察到的過(guò)程稱為“原子間庫(kù)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(qiáng)了這個(gè)過(guò)程,展示了環(huán)境如何改變過(guò)程發(fā)生的速度。


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


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