Folosind măsuri „aproape de neconceput de rapide”, cercetătorii descoperă că bulele accelerează transferul de energie

Experimentele cu lasere super-rapide arată că bulele care se formează în jurul atomilor pot accelera transferul de energie. (Conceptul de artist abstract.)

Rezultate care ar putea ajuta la înțelegerea în continuare a reacției țesutului viu la expunerea la radiații.

Energia curge printr-un sistem de atomi sau molecule printr-o serie de procese precum transferuri, emisii sau degradare. Puteți vizualiza unele dintre aceste detalii, cum ar fi să transmiteți o minge (energie) unei alte persoane (o altă particulă), cu excepția cazului în care trecerea trece mai repede decât o clipire, atât de repede încât nu sunt bine înțelese. Detalii despre schimb. Imaginați-vă același schimb care se întâmplă într-o cameră aglomerată, cu altele care vă lovesc și, în general, complică și încetinesc ritmul. Apoi, imaginați-vă cât de repede ar merge schimbul dacă toată lumea ar face un pas înapoi și ar crea o bulă sigură pentru a trece fără obstacole.

O colaborare internațională de oameni de știință, inclusiv profesorul de fizică UConn, Nora Berrah, și cercetătorul postdoctoral și autorul principal Aaron LaForge, au asistat la această îmbunătățire mediată de bule între doi atomi de heliu folosind lasere ultra-rapide. Rezultatele lor sunt acum publicate în Verificare fizică X.

Măsurarea schimbului de energie între atomi necesită măsurători aproape de neconceput de rapide, spune LaForge.

„Motivul pentru care sunt necesare scale de timp mai scurte este că atunci când sunt fixate în sisteme microscopice, cum ar fi atomi sau molecule, mișcarea lor este extrem de rapidă, de ordinul femtosecundelor (10-15 s), care este timpul necesar pentru a muta câteva angstrom (10-10 m) ”, spune LaForge.

Laforge explică faptul că aceste măsurători se fac cu așa-numitul laser cu electroni liberi, unde electronii accelerează până la aproape viteza luminii și apoi, prin intermediul unor seturi de magneți, electronii sunt forțați să se onduleze, ceea ce îi determină să se elibereze. explozii de lumină de lungime de undă scurtă. . „Cu impulsurile laser ultrarapide puteți rezolva un proces pentru a afla cât de rapid sau lent este ceva”, spune LaForge.

Primul pas al experimentului a fost începerea procesului, spune LaForge: „Fizicienii sondează și întrerup un sistem pentru a-și măsura răspunsul luând instantanee rapide ale reacției. Astfel, în esență, intenționăm să realizăm un film molecular de dinamică. În acest caz, am început mai întâi formarea a două bule într-un nanodroplet de heliu. Apoi, folosind un al doilea impuls, am stabilit cât de repede au putut interacționa. “

Cu un al doilea impuls laser, cercetătorii au măsurat cum interacționează bulele: „După ce au excitat cei doi atomi, se formează două bule în jurul atomilor. Atunci atomii s-ar putea mișca și interacționa unul cu celălalt fără a fi nevoie să împingă atomii sau moleculele înconjurătoare ”, spune LaForge.

Nanodroplets de heliu au fost folosite ca sistem model, deoarece heliul este unul dintre cei mai simpli atomi din tabelul periodic, ceea ce LaForge explică este un aspect important. Deși există până la aproximativ un milion de atomi de heliu într-un nanodrop, structura electronică este relativ simplă și interacțiunile sunt mai ușor de clarificat cu mai puține elemente de sistem de luat în considerare.

„Dacă mergeți la sisteme mai complexe, lucrurile se pot complica destul de repede. De exemplu, chiar și apa lichidă este destul de complicată, deoarece pot exista interacțiuni în cadrul aceleiași molecule sau pot interacționa cu moleculele de apă vecine ”, spune LaForge.

Împreună cu formarea de bule și dinamica ulterioară, cercetătorii au observat transferul de energie, sau descompunerea, între atomii excitați, care au depășit un ordin de mărime mai repede decât se aștepta, până la 400 femtosecunde. La început, au fost un pic nedumeriți despre cum să explice un proces atât de rapid. Au abordat colegi fizici teoretici care ar putea efectua simulări de ultimă generație pentru a înțelege mai bine problema.

Mai jos este o simulare teoretică în timp real a fuziunii a doi atomi de heliu excitați încapsulați cu bule în interiorul unui heliu lichid.

„Rezultatele cercetării noastre au fost neclare, dar colaborarea cu teoreticienii ne-a permis să ne explicăm fenomenul”, spune LaForge.

El subliniază că un aspect interesant al cercetării este acela că putem împinge învelișul în continuare, înțelegând fundamentele acestor procese ultrarapide și deschizând calea pentru noi cercetări. Marea inovație este aceea de a putea crea un mijloc de măsurare a interacțiunilor în femtosecunde sau chiar în atosecunde (10-18 s) perioade de timp. „Este foarte satisfăcător atunci când poți face un experiment destul de fundamental, care poate fi aplicat și la ceva mai complex”, spune LaForge.

Procesul pe care cercetătorii l-au observat se numește dezintegrarea culorii interatomice (DCI) și este un mijloc important pentru ca atomii sau moleculele să împartă și să transfere energie. Bulele au îmbunătățit procesul, demonstrând modul în care mediul poate modifica viteza cu care are loc un proces. Întrucât DCI joacă un rol important în reacția țesuturilor vii la expunerea la radiații, creând electroni cu energie scăzută care pot provoca leziuni ale țesuturilor, aceste descoperiri sunt de importanță biologică, deoarece se formează bule. precum apa și cu alte molecule precum proteinele.

„Înțelegerea scalei de timp a transferului microscopic de energie este esențială pentru multe domenii științifice, cum ar fi fizica, chimia și biologia. Dezvoltarea destul de recentă a tehnologiei laser intense și ultra-rapide permite cercetări rezolvate în timp cu detalii fără precedent, deschizând o mulțime de informații și cunoștințe noi ”, spune Berrah.

Referință: „Dezintegrarea interatomică coulombică a rezonanței ultra-rapide indusă de dinamica cuantică a fluidelor” de AC LaForge și colab., 12 aprilie 2021, Verificare fizică X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021011

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.