Les chercheurs ont utilisé des champs laser intenses pour révéler une dynamique électronique unique dans les liquides, fournissant ainsi de nouvelles informations sur le spectre harmonique d’ordre élevé et révélant l’importance du libre parcours moyen des électrons dans la détermination de la limite d’énergie des photons. Le comportement des électrons dans les liquides joue un rôle important dans de nombreux processus chimiques importants pour les êtres vivants et pour le monde en général. Par exemple, les électrons plus lents dans les liquides peuvent potentiellement provoquer la rupture des brins d’ADN.
Des impulsions laser intenses (rouges) frappent un flux de molécules d’eau, induisant des changements dynamiques ultrarapides des électrons dans le liquide. Source de l'image : JoergM.Harms/MPSD
Cependant, les mouvements des électrons sont difficiles à capturer car ils se produisent en attosecondes (cinq billionièmes de seconde). Étant donné que les lasers avancés peuvent désormais fonctionner sur de telles échelles de temps, les scientifiques peuvent entrevoir ces processus ultra-rapides grâce à toute une série de techniques.
Une équipe internationale de chercheurs a démontré qu'il est possible d'utiliser des champs laser intenses pour sonder la dynamique des électrons dans les liquides et déterminer leur libre parcours moyen - la distance moyenne qu'un électron peut parcourir avant d'entrer en collision avec une autre particule.
Zhong Yin du Centre international d'innovation et d'intelligence du rayonnement synchrotron (SRIS) de l'Université Northeastern, co-premier auteur de l'article, a déclaré : « Nous avons découvert que le mécanisme par lequel les liquides émettent un spectre spécifique (c'est-à-dire un spectre harmonique d'ordre élevé) est clairement différent du mécanisme d'autres phases matérielles telles que les gaz et les solides. Nos découvertes ouvrent la porte à une compréhension plus approfondie de la dynamique ultrarapide dans les liquides.
Les détails de la recherche de l’équipe de recherche ont été publiés dans la revue Nature Physics le 28 septembre 2023.
Technologie de génération d'harmoniques élevées
L’utilisation de champs laser intenses pour générer des photons de haute énergie, un phénomène connu sous le nom de génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG), est une technique largement utilisée dans de nombreux domaines scientifiques, par exemple pour détecter le mouvement des électrons dans les matériaux ou pour suivre les réactions chimiques dans le temps. Le phénomène de génération d’harmoniques dans les gaz et, plus récemment, dans les cristaux a été largement étudié, mais on sait peu de choses sur la génération d’harmoniques dans les liquides.
L'équipe de recherche, qui comprend également des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) de Hambourg et de l'ETH Zurich, rapporte le comportement unique des liquides soumis à une irradiation laser intense. Jusqu’à présent, on ne savait presque rien de ces processus induits par la lumière dans les liquides, omniprésents et présents dans toutes les réactions chimiques. En revanche, les scientifiques ont fait de grands progrès ces dernières années dans l’exploration du comportement des solides sous irradiation.
C'est pourquoi le groupe expérimental de l'ETH Zurich a développé un instrument unique dédié à l'étude de l'interaction des liquides avec des lasers puissants. Les chercheurs ont découvert un comportement unique dans lequel l’énergie photonique maximale obtenue par HHG dans les liquides est indépendante de la longueur d’onde du laser. Alors, quels sont les facteurs à l’origine de ce phénomène ?
Révéler la limite supérieure de l'énergie des photons
Pour répondre à cette question, les scientifiques ont découvert un lien jusqu’alors inconnu.
"La distance qu'un électron peut parcourir avant d'entrer en collision avec une autre particule dans un liquide est un facteur clé pour imposer une limite supérieure à l'énergie d'un photon", a déclaré Nicolas Tankogne-Dejean, co-auteur de l'étude et chercheur au MPSD. "Nous avons pu extraire cette quantité - appelée libre parcours moyen effectif des électrons - à partir de données expérimentales grâce à un modèle analytique spécialement développé qui prend en compte la diffusion des électrons."
En combinant les résultats d'études expérimentales et théoriques sur le HHG dans les liquides, les scientifiques ont non seulement identifié les facteurs clés qui déterminent l'énergie lumineuse maximale, mais ont également fourni un modèle intuitif pour élucider son mécanisme de base.
Yin a ajouté : « Mesurer le libre parcours moyen effectif des électrons dans la région de faible énergie cinétique est très difficile, et c'est exactement ce que fait cette étude. En fin de compte, nos efforts de collaboration établissent HHG comme un nouvel outil spectroscopique pour étudier les liquides, et donc une pierre angulaire importante dans l'exploration de la compréhension de la dynamique des électrons dans les liquides.
Cette recherche s'inscrit dans la continuité des travaux antérieurs de Yin.