Pomocí „téměř nepředstavitelně rychlých“ měření vědci zjistili, že bubliny urychlují přenos energie

Pokusy s superrychlými lasery ukazují, že bubliny, které se tvoří kolem atomů, mohou urychlit přenos energie. (Koncept abstraktního umělce.)

Zjištění, která by nám mohla pomoci lépe pochopit, jak živá tkáň reaguje na ozáření.

Energie proudí soustavou atomů nebo molekul řadou procesů, jako jsou přenosy, emise nebo rozpad. Můžete si představit některé z těchto detailů, například: B. předání míče (energie) jiné osobě (jiné částice), kromě toho, že průchod je rychlejší než mrknutí oka, tak rychlý, že podrobnosti výměny nejsou dobře pochopeny. Představte si stejnou výměnu v rušné místnosti, kde do vás ostatní narazí a obecně komplikují a zpomalují přihrávku. Pak si představte, jak rychlejší by výměna byla, kdyby všichni ustoupili a vytvořili bezpečnou bublinu, aby průkaz mohl volně vypršet.

Mezinárodní spolupráce vědců, včetně profesorky fyziky UConn Nory Berrah a postdoktorandky a hlavní autorky Aaron LaForge, byla svědkem tohoto bublinou zprostředkovaného zlepšení mezi dvěma atomy helia pomocí ultrarychlých laserů. Vaše výsledky budou nyní zveřejněny v Fyzikální vyšetření X..

Měření energetické výměny mezi atomy vyžaduje měření, která jsou téměř nepředstavitelně rychlá, říká LaForge.

„Důvodem, proč jsou zapotřebí kratší časové stupnice, je to, že při pohledu na mikroskopické systémy, jako jsou atomy nebo molekuly, je jejich pohyb extrémně rychlý, zhruba v řádu femtosekund (10)-patnáct s), to je čas, který jim trvá, než se pohnou o několik angstromů (10-10 m) “, říká La Forge.

Laforge vysvětluje, že tato měření se provádějí takzvaným laserem s volnými elektrony, při kterém se elektrony zrychlují téměř na rychlost světla. Elektrony jsou poté nuceny vlnit pomocí magnetů, což způsobuje, že uvolňují krátkovlnné záblesky světla. “S ultrarychlými laserovými pulzy můžete dočasně vyřešit proces a zjistit, jak rychle nebo pomalu se něco děje,” říká LaForge.

Prvním krokem v experimentu bylo zahájení procesu, říká La Forge: „Fyzici studují a narušují systém, aby změřili jeho reakci rychlými snímky reakce. V podstatě tedy chceme vytvořit molekulární film o dynamice. V tomto případě jsme nejprve zahájili tvorbu dvou bublin v nanodroplku helia. Potom jsme si s druhým popudem všimli, jak rychle mohou interagovat. “

Pomocí druhého laserového pulsu vědci měřili, jak bubliny interagují: „Poté, co jsou dva atomy vzrušeny, vytvoří se kolem atomů dvě bubliny. Atomy se pak mohly pohybovat a vzájemně na sebe působit, aniž by musely tlačit na okolní atomy nebo molekuly, “říká LaForge.

Nanodroplety hélia byly použity jako modelový systém, protože hélium je jedním z nejjednodušších atomů v periodické tabulce, což je podle LaForge důležité. I když v nanodropletu existuje až přibližně jeden milion atomů helia, elektronová struktura je relativně jednoduchá a interakce lze snáze objasnit, pokud je v systému třeba brát v úvahu méně prvků.

“Když přejdete na složitější systémy, věci se mohou docela rychle komplikovat.” Například i kapalná voda je docela komplikovaná, protože může docházet k interakcím uvnitř samotné molekuly nebo se sousedními molekulami vody, “říká LaForge.

Spolu s tvorbou bublin a následnou dynamikou vědci pozorovali přenos nebo rozpad energie mezi excitovanými atomy, který byl o řádově rychlejší, než se dříve očekávalo – až 400 femtosekund. Zpočátku byli trochu na rozpacích, jak vysvětlit takový rychlý proces. Obrátili se na kolegy teoretické fyziky, kteří mohli spustit nejmodernější simulace, aby lépe porozuměli problému.

V následujícím textu najdete teoretickou simulaci sloučení dvou excitovaných atomů helia v kapalném heliu v reálném čase v reálném čase.

„Výsledky našeho výzkumu byly nejasné, ale práce s teoretiky nám umožnila tento jev přesněji vysvětlit,“ říká La Forge.

Navrhuje, že jedním vzrušujícím aspektem výzkumu je, že můžeme pokračovat v rozšiřování základů porozumění základům těchto ultrarychlých procesů a připravovat cestu pro nový výzkum. Velkou inovací je vytvoření prostředku pro měření interakcí ve femtosekundovém nebo dokonce attosekundovém rozsahu (10)-18 s) časové stupnice. „Je to opravdu užitečné, když můžete udělat docela základní experiment, který lze použít na něco složitějšího,“ říká LaForge.

Proces pozorovaný vědci je známý jako Interatomic Coulombic Decay (ICD) a je důležitým prostředkem pro sdílení atomů nebo molekul a přenos energie. Bubliny vylepšily proces a ukázaly, jak může prostředí změnit rychlost, jakou proces probíhá. Protože ICD hraje důležitou roli v tom, jak živé tkáně reagují na ozáření – generováním elektronů s nízkou energií, které mohou způsobit poškození tkání – mají tyto nálezy biologický význam, protože podobné bubliny by se pravděpodobně vytvořily v jiných tekutinách. jako voda a s dalšími molekulami, jako jsou proteiny.

“Porozumění časovému měřítku přenosu energie v mikroskopickém měřítku je zásadní pro řadu vědeckých oborů, jako je fyzika, chemie a biologie.” Relativně nedávný vývoj intenzivní ultrarychlé laserové technologie umožňuje časově rozlišená vyšetření s nebývalými podrobnostmi a otevírá množství nových informací a znalostí, “říká Berrah.

Odkaz: „Ultrafast Resonant Interatomic Coulomb Decay by Quantum Fluid Dynamics“ od AC LaForge et al., 12. dubna 2021, Fyzikální vyšetření X..
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021011

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.