Wetenschappers ontdekten dat relatief langzame elektronen worden geproduceerd wanneer intense lasers interageren met kleine clusters van atomen, huidige theorieën ombuigen.

Intense laserclusterinteracties treden op wanneer kleine clusters van atomen, nanometer (miljardste van een meter) groot, worden geraakt met intense lasers. Dit gebeurt, bijvoorbeeld, bij het afbeelden van biomedische monsters op ultrasnelle tijdschalen. Echter, de biomoleculen kunnen daarbij door straling worden beschadigd.

De ontdekking van langzame, laagenergetische elektronen geproduceerd door de intense laserclusterinteracties bieden een ontbrekende schakel in het begrip van wetenschappers van het proces, en zou kunnen verklaren waarom biomoleculen beschadigd zijn.

Van intense laserclusterinteracties was bekend dat ze energetische ionen en elektronen produceerden, maar nu, in een krant die vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers hebben onthuld dat relatief langzame elektronen ook in grote hoeveelheden worden geproduceerd.

De nanoschaal begrijpen

Een team van onderzoekers van Imperial College London, de universiteit van Rostock, het Max-Born-Instituut, de Universiteit van Heidelberg en ELI-ALPS hebben kleine clusters bestaande uit een paar duizend atomen blootgesteld aan ultrakorte, intense laserpulsen. Ze ontdekten dat de overgrote meerderheid van de uitgezonden elektronen erg traag waren en met een vertraging werden uitgezonden in vergelijking met de meer energetische elektronen.

Hoofdwetenschapper Dr. Bernd Schütte, die de experimenten uitvoerde bij de afdeling Natuurkunde van Imperial, zei:"Veel factoren, waaronder het magnetisch veld van de aarde, beïnvloeden de beweging van langzame elektronen, hun detectie erg moeilijk maken en uitleggen waarom ze niet eerder zijn waargenomen. Onze waarnemingen waren onafhankelijk van de specifieke cluster- en laserparameters die werden gebruikt, en ze helpen ons de complexe processen die op nanoschaal evolueren te begrijpen."

Wanneer deeltjes of clusters op nanoschaal (nanometers groot) worden geraakt door intense laserpulsen, verschillende verschijnselen ontstaan, en de meeste zijn goed begrepen. Echter, het genereren van sterk geladen ionen is tot nu toe een raadsel voor onderzoekers. Dit komt omdat simulaties voorspelden dat elektronen en ionen zouden recombineren, het verminderen van de lading van de ionen.

Het raadsel oplossen

De ontdekking van langzame elektronen lost dit raadsel op. Omdat ze vrijkomen na de meer energetische elektronen, veel van de langzame elektronen kunnen aan het cluster van atomen ontsnappen. Als gevolg hiervan, het wordt veel moeilijker voor de geladen ionen om partnerelektronen te vinden waarmee ze kunnen recombineren, en velen van hen blijven sterk geladen.

Senior auteur professor Jon Marangos, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"Onderzoekers bestuderen sinds het midden van de jaren negentig de energetische emissie van deeltjes uit met laser bestraalde atomaire clusters.

"Wat verrassend is, is dat tot nu toe de vertraagde elektronenemissie met veel lagere energie over het hoofd is gezien. Het blijkt dat dit een zeer sterke eigenschap is, goed voor de meerderheid van de uitgezonden elektronen, en kan een grote rol spelen wanneer gecondenseerde materie of grote moleculen van welke soort dan ook interageren met een laserpuls met hoge intensiteit."

Elektronen eruit schoppen

Om de experimentele waarnemingen te begrijpen, Professor Thomas Fennel en collega's van de Universiteit van Rostock en het Max-Born-Instituut simuleerden de interactie van de laserpuls met het cluster. Hij zei:"Onze atomistische simulaties toonden aan dat de langzame elektronen het resultaat zijn van een proces in twee stappen, wiens tweede stap is gebaseerd op een laatste trap die tot nu toe aan de aandacht van de onderzoekers is ontsnapt."

Eerst, de intense laserpuls maakt elektronen los van individuele atomen. Deze elektronen blijven gevangen in het cluster omdat ze sterk worden aangetrokken door de ionen. Wanneer deze aantrekkingskracht afneemt naarmate de deeltjes verder van elkaar weg bewegen tijdens clusterexpansie, de scène is ingesteld voor de belangrijke tweede stap.

Zwak gebonden elektronen krijgen hun laatste kick om uit het cluster te ontsnappen wanneer ze botsen met een zeer opgewonden ion. Aangezien dergelijke gecorreleerde processen vrij moeilijk te modelleren zijn, de computermiddelen van de Noord-Duitse Supercomputing Alliance (HLRN) waren essentieel bij het oplossen van de puzzel.