02.10.2023

Wie sich Elektronen in Flüssigkeiten verhalten

Hohe Harmonische erlauben Bestimmung der Elektronendynamik von Flüssigkeiten.

Das Verhalten von Elektronen in Flüssigkeiten bestimmt eine Vielzahl von chemischen Prozessen und damit wesentliche Vorgänge in Organismen und unserer Umwelt. Die Bewegungen der Elektronen sind jedoch extrem schwer zu erfassen, da sie sich innerhalb von Attosekunden abspielen. Da fortschrittliche Laser heute auf diesen Zeitskalen arbeiten, können sie mittels verschiedener Techniken Einblicke in diese ultraschnellen Prozesse geben.


Abb.: Ein intensiver Laserpuls (in rot) trifft auf einen Strom von...
Abb.: Ein intensiver Laserpuls (in rot) trifft auf einen Strom von Wassermolekülen und löst eine ultraschnelle Dynamik der Elektronen in der Flüssigkeit aus.
Quelle: J. M. Harms / MPSD

Ein internationales Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der ETH Zürich hat nun gezeigt, dass es möglich ist, die Elektronendynamik in Flüssigkeiten mit Hilfe intensiver Laserfelder zu untersuchen und die mittlere freie Weglänge von Elektronen zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass der Mechanismus, durch den Flüssigkeiten das hochharmonische Lichtspektrum emittieren, sich deutlich von dem in anderen Materiephasen wie Gasen und Festkörpern unterscheidet. Die Erkenntnisse des Teams eröffnen die Möglichkeit, die ultraschnelle Dynamik in Flüssigkeiten besser zu verstehen.

Die Erzeugung hochenergetischer Photonen mit Hilfe intensiver Laserfelder, die High Harmonic Generation (HHG), ist eine weit verbreitete Technik, die routinemäßig in vielen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt wird, beispielsweise zur Untersuchung elektronischer Bewegungen in Materialien oder zur Verfolgung chemischer Reaktionen über bestimmte Zeitspannen. HHG wurde schon ausgiebig in Gasen und, in jüngerer Zeit, in Kristallen untersucht. In Flüssigkeiten ist dies jedoch ein weitaus weniger erforschtes Phänomen.

Nun berichtet das schweizerisch-deutsche Forschungsteam, wie es das einzigartige Verhalten von Flüssigkeiten bei der Bestrahlung mit intensiven Lasern nachgewiesen hat. Bislang ist fast nichts über diese lichtinduzierten Prozesse in Flüssigkeiten bekannt – im Gegensatz zur raschen Erforschung des Verhaltens insbesondere von Festkörpern unter Bestrahlung in den letzten Jahren. So entwickelte das Team der ETH Zürich eine einzigartige Apparatur, um speziell die Wechselwirkung von Flüssigkeiten mit intensiven Lasern zu untersuchen. Die Forscher entdeckten ein besonderes Verhalten, bei dem die maximale Photonenenergie, die durch HHG in Flüssigkeiten erreicht wird, unabhängig von der Wellenlänge des Lasers ist. Welcher Faktor ist also stattdessen verantwortlich für diese Obergrenze?

Mit jener Frage befasste sich die MPSD-Theoriegruppe. Dabei entdeckten die Hamburger Forscher einen bisher unentdeckten Zusammenhang. „Die Entfernung, die ein Elektron in der Flüssigkeit zurücklegen kann, bevor es mit einem anderen Teilchen kollidiert, ist der entscheidende Faktor, der die Photonenenergie begrenzt“, so MPSD-Wissenschaftler Nicolas Tancogne-Dejean, einer der Mitautoren der Studie. „Es gelang uns, diese effektive mittlere freie Weglänge der Elektronen aus den experimentellen Daten dank eines speziell entwickelten analytischen Modells unter Berücksichtigung der Elektronenstreuung zu ermitteln.“

Durch die Kombination der experimentellen und theoretischen Ergebnisse in ihrer Studie zur HHG in Flüssigkeiten haben die Wissenschaftler nicht nur den Schlüsselfaktor identifiziert, der die maximale Photoenergie bestimmt, sondern auch das erste Experiment der hochharmonischen Spektroskopie in Flüssigkeiten durchgeführt. Bei niedriger kinetischer Energie, dem in dieser Studie experimentell untersuchten Bereich, ist die effektive mittlere freie Weglänge der Elektronen sehr schwer zu messen. Die Arbeit des Teams der ETH Zürich und vom MPSD etabliert daher die HHG als neues spektroskopisches Werkzeug zur Untersuchung von Flüssigkeiten und ist somit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Verständnis der Dynamik von Elektronen in Flüssigkeiten.

MPSD / DE


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