Forskare fann att relativt långsamma elektroner produceras när intensiva lasrar interagerar med små kluster av atomer, nuvarande teorier.

Intensiva laserklusterinteraktioner uppstår när små grupper av atomer, nanometer (miljarddels meter) i storlek, träffas med intensiva lasrar. Det händer, till exempel, vid avbildning av biomedicinska prover på ultrasnabba tidsskalor. Dock, biomolekylerna kan skadas i denna process av strålning.

Upptäckten av långsam, lågenergi-elektroner som produceras av de intensiva laserklusterinteraktionerna ger en saknad länk i forskarnas förståelse av processen, och kan förklara varför biomolekyler är skadade.

Intensiva laserklusterinteraktioner var kända för att producera energiska joner och elektroner, men nu, i en tidning som publicerades idag i Fysiska granskningsbrev , forskare har avslöjat att relativt långsamma elektroner också produceras i stora mängder.

Förstå nanoskalan

Ett team av forskare från Imperial College London, universitetet i Rostock, Max-Born-institutet, universitetet i Heidelberg och ELI-ALPS exponerade små kluster som består av några tusen atomer för ultrakort, intensiva laserpulser. De fann att den stora majoriteten av de emitterade elektronerna var mycket långsamma och emitterades med en fördröjning jämfört med de mer energirika elektronerna.

Ledande forskare Dr Bernd Schütte, som utförde experimenten vid Institutionen för fysik i Imperial, sade:"Många faktorer inklusive jordens magnetfält påverkar rörelsen av långsamma elektroner, gör deras upptäckt mycket svårt och förklarar varför de inte har observerats tidigare. Våra observationer var oberoende av de specifika kluster- och laserparametrar som används, och de hjälper oss att förstå de komplexa processer som utvecklas på nanoskala. "

När partiklar eller kluster på nanoskala (nanometer i storlek) träffas av intensiva laserpulser, olika fenomen produceras, och de flesta är väl förstådda. Dock, generationen av högladdade joner har hittills utgett en gåta för forskare. Detta beror på att simuleringar förutspådde att elektroner och joner skulle rekombinera, minska laddningen av jonerna.

Att lösa gåtan

Upptäckten av långsamma elektroner löser denna gåta. Eftersom de frigörs efter de mer energiska elektronerna, många av de långsamma elektronerna kan komma undan atomerna. Som en konsekvens, det blir mycket svårare för de laddade jonerna att hitta partnerelektroner som de kan rekombinera med, och många av dem är fortfarande mycket laddade.

Senior författare professor Jon Marangos, från Institutionen för fysik vid Imperial, sa:"Forskare har studerat den energiska utsläppet av partiklar från laserbestrålade atomkluster sedan mitten av 1990-talet.

"Det som är förvånande är att fram till nu har den mycket lägre energifördröjda elektronemissionen förbisetts. Det visar sig att detta är en mycket stark egenskap, står för majoriteten av utsända elektroner, och kan spela en stor roll när kondenserad materia eller stora molekyler av något slag interagerar med en högintensiv laserpuls. "

Kickar ut elektroner

För att förstå de experimentella observationerna, Professor Thomas Fennel och kollegor från University of Rostock och Max-Born-Institute simulerade laserpulsens interaktion med klustret. Han sa:"Våra atomistiska simuleringar visade att de långsamma elektronerna härrör från en tvåstegsprocess, vars andra steg bygger på en sista spark som hittills har undgått forskarnas uppmärksamhet. "

Först, den intensiva laserpulsen lösgör elektroner från enskilda atomer. Dessa elektroner förblir fångade i klustret eftersom de attraheras starkt av jonerna. När denna attraktion minskar när partiklarna rör sig längre bort från varandra under kluster expansion, scenen är redo för det viktiga andra steget.

Svagt bundna elektroner får sin sista spark att fly från klustret när de kolliderar med en mycket upphetsad jon. Eftersom sådana korrelerade processer är ganska svåra att modellera, datorresurserna från North-German Supercomputing Alliance (HLRN) var avgörande för att lösa pusslet.