研究者らは、強力なレーザー場を使用して液体中の独特の電子ダイナミクスを明らかにし、高次高調波スペクトルに対する新たな洞察を提供し、光子のエネルギー限界を決定する際の電子の平均自由行程の重要性を明らかにしました。液体中の電子の挙動は、生物や世界全体にとって重要な多くの化学プロセスにおいて重要な役割を果たしています。たとえば、液体中の遅い電子は DNA 鎖の切断を引き起こす可能性があります。
強力なレーザー パルス (赤) が水分子の流れに衝突し、液体中の電子に超高速の動的変化を引き起こします。画像出典: JoergM.Harms/MPSD
ただし、電子の動きはアト秒 (1 兆分の 5 秒) で発生するため、捕捉するのは困難です。先進的なレーザーは現在このようなタイムスケールで動作できるため、科学者はさまざまな技術を通じてこれらの超高速プロセスを垣間見ることができます。
国際研究チームは、強力なレーザー場を使用して液体中の電子のダイナミクスを調査し、平均自由行程（電子が別の粒子に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ました。
この論文の共同筆頭著者であるノースイースタン大学シンクロトロン放射イノベーション・インテリジェンス国際センター（SRIS）のZhong ying氏は、「液体が特定のスペクトル（つまり、高次高調波スペクトル）を放射するメカニズムが、気体や固体などの他の材料相のメカニズムとは明らかに異なることがわかりました。我々の発見は、液体における超高速ダイナミクスのより深い理解への扉を開きます。」と述べています。
研究チームの研究詳細は、2023年9月28日に雑誌『Nature Physics』に掲載された。
高調波発生技術
強力なレーザー場を使用して高エネルギー光子を生成することは、高次高調波発生 (HHG) として知られる現象であり、材料内の電子の動きの検出や化学反応の経時的な追跡など、さまざまな科学分野で広く使用されている技術です。気体および最近では結晶における高調波の発生現象は広く研究されていますが、液体における高調波の発生についてはほとんど知られていません。
研究チームにはハンブルクのマックス・プランク物質構造力学研究所（MPSD）とチューリッヒ工科大学の科学者も含まれており、強力なレーザー照射下での液体の独特な挙動を報告している。これまで、あらゆる化学反応に遍在し存在する、液体中での光誘起プロセスについてはほとんど何も知られていませんでした。対照的に、科学者は近年、固体が照射下でどのように挙動するかを研究することで大きな進歩を遂げてきました。
そこで、チューリッヒ工科大学の実験グループは、強力なレーザーと液体の相互作用を研究することに特化したユニークな装置を開発しました。研究者らは、液体中でHHGによって得られる最大光子エネルギーがレーザー波長に依存しないという独特の挙動を発見した。では、この現象はどのような要因によって引き起こされるのでしょうか?
光子エネルギーの上限を解明
この疑問に答えるために、科学者たちはこれまで発見されていなかった関連性を発見しました。
「液体中の他の粒子と衝突する前に電子が移動できる距離は、光子のエネルギーに上限を設ける上で重要な要素である」と研究の共著者でMPSDの研究者であるニコラ・タンコーニュ・デジャン氏は述べた。 「電子の散乱を考慮した特別に開発された解析モデルのおかげで、有効電子平均自由行程と呼ばれるこの量を実験データから取得することができました。」
液体中のHHGの実験的研究と理論的研究の結果を組み合わせることで、科学者ら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、その基本的なメカニズムを解明するための直観的なモデルも提供した。
イン氏はさらに、「低運動エネルギー領域における電子の実効平均自由行程を測定することは非常に困難であり、この研究はまさにそれを行っている。最終的には、私たちの共同研究により、HHGが液体を研究するための新しい分光ツールとして確立され、したがって液体中の電子動力学の理解を探求する上で重要な基礎となる。」と付け加えた。
この研究は、イン氏の以前の研究の続きです。