强激光为液体电子动力学带来新启示

强激光脉冲（红色）照射到水分子流中，诱发液体中电子的超快动态变化。图片来源：Joerg M. Harms / MPSD

由汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）和苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员组成的国际研究小组现已证明，可以利用强激光场探测液体中的电子动力学，并找回电子的平均自由路径--电子在与另一个粒子碰撞之前可以移动的平均距离。

他们发现，液体发出被称为高次谐波谱的特定光谱的机制与气体和固体等其他物质相中的机制明显不同。研究小组的发现为深入了解液体中的超快动力学打开了一扇大门。

利用强激光场产生高能光子，即所谓的高次谐波发生（HHG），是一种广泛的技术，通常用于许多不同的科学领域，例如探测材料中的电子运动或及时跟踪化学反应。人们对气体中的高次谐波发生现象进行了广泛的研究，最近又对晶体中的高次谐波发生现象进行了研究，但迄今为止，人们对液体中的高次谐波发生现象知之甚少。

现在，瑞士-德国研究小组在《自然-物理》杂志上报告了他们是如何证明液体在强激光照射下的独特行为的。迄今为止，人们对液体中的这些光诱导过程几乎一无所知--这与最近关于固体在辐照下的行为的科学进展形成了鲜明对比。

因此，苏黎世联邦理工学院的实验小组开发了一种独特的仪器，专门研究液体与强激光的相互作用。研究人员发现了一种独特的行为，即液体中通过 HHG 获得的最大光子能量与激光波长无关。那么，是哪个因素造成了这一上限呢？

这就是 MPSD 理论小组要解决的问题。最关键的是，汉堡的研究人员发现了一种迄今为止尚未发现的联系。

"电子在液体中与另一个粒子碰撞之前所能移动的距离是对光子能量施加上限的关键因素，"MPSD 研究员尼古拉斯-坦科涅-德让（Nicolas Tancogne-Dejean）说，他是这项研究的合著者之一。"我们能够从实验数据中检索到这一数量--即有效电子平均自由路径，这要归功于一个专门开发的分析模型，该模型考虑了电子的散射"。

科学家们在研究液体中的高次谐波时，将实验和理论结果结合起来，不仅找出了决定最大光能的关键因素，还首次在液体中进行了高次谐波光谱学实验。在低动能（即本研究实验探究的区域）下，电子的有效平均自由路径很难测量。

因此，苏黎世 ETZ / MPSD 团队的工作将高次谐波光谱确立为研究液体的一种新的光谱学工具，因此是探索了解液体中电子动力学的一块重要基石。

参考资料

Mondal, A. et al, High-harmonic spectroscopy of low-energy electron-scattering dynamics in liquids, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02214-0 , www.nature.com/articles/s41567-023-02214-0