Energi flödar genom ett system av atomer eller molekyler genom en serie processer som överföringar, utsläpp, eller förfall. Du kan visualisera några av dessa detaljer som att skicka en boll (energin) till någon annan (en annan partikel), förutom att passet sker snabbare än ett ögonblick, så snabbt att detaljerna om utbytet inte är väl förstådda. Tänk dig att samma utbyte händer i ett hektiskt rum, med andra som stöter på dig och i allmänhet komplicerar och bromsar passet. Sedan, tänk dig hur mycket snabbare utbytet skulle bli om alla steg tillbaka och skapade en säker bubbla för passet att hända obehindrat.

Ett internationellt samarbete mellan forskare, inklusive UConn professor i fysik Nora Berrah och postdoktoral forskare och huvudförfattare Aaron LaForge, bevittnade denna bubbelförmedlade förbättring mellan två heliumatomer med hjälp av ultrasnabba lasrar. Deras resultat publiceras nu i Fysisk granskning X.

Att mäta energiutbyte mellan atomer kräver nästan ofattbart snabba mätningar, säger LaForge.

"Anledningen till att det behövs kortare tidsskalor är att när man tittar på mikroskopiska system, som atomer eller molekyler, deras rörelse är extremt snabb, ungefär i storleksordningen femtosekunder (10 ^-15 s), vilket är den tid det tar dem att flytta några ångström (10 ^-10 m), "Säger LaForge.

Laforge förklarar att dessa mätningar görs med en så kallad fri-elektronlaser, där elektroner accelereras till nästan ljusets hastighet, använd sedan uppsättningar magneter, elektronerna tvingas böljas, vilket får dem att släppa korta våglängdsutbrott av ljus. "Med ultrasnabba laserpulser kan du tidslösa en process för att ta reda på hur snabbt eller långsamt något händer, "säger LaForge.

Experimentets första steg var att initiera processen, säger LaForge:"Fysiker sondar och stör ett system för att mäta dess svar genom att ta snabba ögonblicksbilder av reaktionen. Således, väsentligen, vi strävar efter att göra en molekylär film av dynamiken. I detta fall, vi inledde först bildandet av två bubblor i en helium -nanodroplet. Sedan, använder en andra puls, vi bestämde hur snabbt de kunde interagera. "

Med en andra laserpuls mätte forskarna hur bubblorna interagerar:"Efter att ha spänt de två atomerna, två bubblor bildas runt atomerna. Då kunde atomerna röra sig och interagera med varandra utan att behöva pressa mot omgivande atomer eller molekyler, "säger LaForge.

Helium -nanodroppar användes som modellsystem, eftersom helium är en av de enklaste atomerna i det periodiska systemet, vilket LaForge förklarar är en viktig faktor. Även om det finns upp till ungefär en miljon heliumatomer i en nanodroplett, den elektroniska strukturen är relativt enkel, och interaktionerna är lättare att belysa med färre element i systemet att ta hänsyn till.

"Om du går till mer komplexa system, saker kan bli mer komplicerade ganska snabbt. Till exempel, även flytande vatten är ganska komplicerat, eftersom det kan finnas interaktioner i själva molekylen eller det kan interagera med sina närliggande vattenmolekyler, "Säger LaForge.

Tillsammans med bubbelbildning och den efterföljande dynamiken, forskarna observerade energiöverföring, eller förfall, mellan de upphetsade atomerna, som var över en storleksordning snabbare än tidigare förväntat - så snabbt som 400 femtosekunder. I början, de var lite förvirrade över hur man skulle förklara en så snabb process. De kontaktade teoretiska fysikerkollegor som kunde utföra toppmoderna simuleringar för att bättre förstå problemet.

"Resultaten av vår undersökning var oklara men samarbete med teoretiker tillät oss att spika fast och förklara fenomenet, "säger LaForge.

Han påpekar att en spännande aspekt av forskningen är att vi kan driva kuvertet vidare för att förstå grunderna i dessa ultrasnabba processer och bana väg för ny forskning. Den stora innovationen är att kunna skapa ett sätt att mäta interaktioner ner femtosekund eller till och med attosekund (10 ^-18 s) tidsskalor. "Det är verkligen givande när du kan utföra ett ganska grundläggande experiment som också kan tillämpas på något mer komplext, "säger LaForge.

Processen forskarna observerade kallas Interatomic Coulombic Decay (ICD), och är ett viktigt medel för atomer eller molekyler att dela och överföra energi. Bubblorna förbättrade processen, visar hur miljön kan ändra hastigheten med vilken en process sker. Eftersom ICD spelar en viktig roll i hur levande vävnader reagerar på strålningsexponering - genom att skapa elektroner med låg energi som kan orsaka skador i vävnader - är dessa fynd av biologisk betydelse, eftersom det är troligt att liknande bubblor skulle bildas i andra vätskor, som vatten, och med andra molekyler som proteiner.

"Att förstå tidsskalan för energiöverföring i mikroskopisk skala är avgörande för många vetenskapliga områden, som fysik, kemi, och biologi. Den ganska senaste utvecklingen av intensiv, Ultrasnabb laserteknik möjliggör tidsupplösta undersökningar med oöverträffade detaljer, öppnar upp en mängd ny information och kunskap, säger Berrah.