Energie stroomt door een systeem van atomen of moleculen door een reeks processen zoals overdrachten, uitstoot, of verval. Je kunt sommige van deze details visualiseren, zoals het doorgeven van een bal (de energie) aan iemand anders (een ander deeltje), behalve dat de pas sneller gaat dan een oogwenk, zo snel dat de details over de uitwisseling niet goed worden begrepen. Stel je voor dat dezelfde uitwisseling plaatsvindt in een drukke kamer, met anderen die tegen je aan botsen en de pas over het algemeen compliceren en vertragen. Vervolgens, stel je voor hoeveel sneller de uitwisseling zou zijn als iedereen een stap achteruit zou doen en een veilige bubbel zou creëren zodat de pass ongehinderd kon plaatsvinden.

Een internationale samenwerking van wetenschappers, waaronder UConn Professor of Physics Nora Berrah en postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur Aaron LaForge, was getuige van deze door bellen gemedieerde verbetering tussen twee heliumatomen met behulp van ultrasnelle lasers. Hun resultaten zijn nu gepubliceerd in Fysieke beoordeling X.

Het meten van energie-uitwisseling tussen atomen vereist bijna ondenkbaar snelle metingen, zegt LaForge.

"De reden waarom kortere tijdschalen nodig zijn, is dat wanneer je naar microscopische systemen kijkt, zoals atomen of moleculen, hun beweging is extreem snel, ongeveer in de orde van femtoseconden (10 ^-15 s ), dat is de tijd die ze nodig hebben om een ​​paar angstroms te verplaatsen (10 ^-10 m), ' zegt LaForge.

Laforge legt uit dat deze metingen worden gedaan met een zogenaamde vrije-elektronenlaser, waar elektronen worden versneld tot bijna de lichtsnelheid, dan met behulp van sets van magneten, de elektronen worden gedwongen te golven, waardoor ze lichtflitsen met een korte golflengte afgeven. "Met ultrasnelle laserpulsen kun je een proces in de tijd oplossen om erachter te komen hoe snel of langzaam iets gebeurt, ', zegt LaForge.

De eerste stap van het experiment was om het proces te starten, zegt LaForge:"Natuurkundigen onderzoeken en verstoren een systeem om zijn reactie te meten door snelle momentopnamen van de reactie te maken. eigenlijk, we willen een moleculaire film maken van de dynamiek. In dit geval, we begonnen eerst met de vorming van twee bellen in een helium nanodruppel. Vervolgens, met behulp van een tweede puls, we bepaalden hoe snel ze konden communiceren."

Met een tweede laserpuls bepaalden de onderzoekers hoe de bubbels op elkaar inwerken:"Na het opwekken van de twee atomen, er worden twee bellen gevormd rond de atomen. Dan kunnen de atomen bewegen en met elkaar interageren zonder tegen omringende atomen of moleculen te hoeven duwen, ', zegt LaForge.

Helium nanodruppels werden gebruikt als modelsysteem, aangezien helium een ​​van de eenvoudigste atomen in het periodiek systeem is, die LaForge uitlegt, is een belangrijke overweging. Ook al zijn er tot ongeveer een miljoen heliumatomen in een nanodruppel, de elektronische structuur is relatief eenvoudig, en de interacties zijn gemakkelijker te verklaren met minder elementen in het systeem om rekening mee te houden.

"Als je naar complexere systemen gaat, dingen kunnen vrij snel ingewikkelder worden. Bijvoorbeeld, zelfs vloeibaar water is behoorlijk ingewikkeld, omdat er interacties kunnen zijn binnen het molecuul zelf of het kan interageren met zijn naburige watermoleculen, ' zegt LaForge.

Samen met bellenvorming en de daaropvolgende dynamiek, de onderzoekers observeerden energieoverdracht, of verval, tussen de aangeslagen atomen, dat was meer dan een orde van grootte sneller dan eerder verwacht - zo snel als 400 femtoseconden. Aanvankelijk, ze waren een beetje verbijsterd over hoe ze zo'n snel proces moesten uitleggen. Ze benaderden theoretische fysici-collega's die state-of-the-art simulaties konden uitvoeren om het probleem beter te begrijpen.

"De resultaten van ons onderzoek waren onduidelijk, maar door samenwerking met theoretici konden we het fenomeen vaststellen en verklaren, ', zegt LaForge.

Hij wijst erop dat een opwindend aspect van het onderzoek is dat we de grenzen verder kunnen verleggen in het begrijpen van de fundamenten van deze ultrasnelle processen en de weg kunnen effenen voor nieuw onderzoek. De grote innovatie is het kunnen creëren van een middel om interacties te meten tot femtoseconde of zelfs attoseconde (10 ^-18 s) tijdschema's. "Het is echt de moeite waard als je een nogal fundamenteel experiment kunt uitvoeren dat ook kan worden toegepast op iets complexers, ', zegt LaForge.

Het proces dat de onderzoekers observeerden, heet Interatomic Coulomb Decay (ICD), en is een belangrijk middel voor atomen of moleculen om energie te delen en over te dragen. De bubbels verbeterden het proces, laten zien hoe de omgeving de snelheid waarmee een proces plaatsvindt kan veranderen. Aangezien ICD een belangrijke rol speelt in hoe levende weefsels reageren op blootstelling aan straling - door het creëren van laagenergetische elektronen die schade kunnen veroorzaken in weefsels - zijn deze bevindingen van biologisch belang, omdat het waarschijnlijk is dat soortgelijke bellen zich in andere vloeistoffen zullen vormen, als water, en met andere moleculen zoals eiwitten.

"Het begrijpen van de tijdschaal van energieoverdracht op microscopische schaal is essentieel voor tal van wetenschappelijke gebieden, zoals natuurkunde, scheikunde, en biologie. De vrij recente ontwikkeling van intense, ultrasnelle lasertechnologie zorgt voor tijdopgeloste onderzoeken met ongekende details, het ontsluiten van een schat aan nieuwe informatie en kennis, ' zegt Berra.