Gli scienziati hanno scoperto che vengono prodotti elettroni relativamente lenti quando i laser intensi interagiscono con piccoli gruppi di atomi, ribaltare le teorie correnti.

Interazioni intense di cluster laser si verificano quando piccoli cluster di atomi, nanometri (miliardesimi di metro) di dimensioni, vengono colpiti da laser intensi. Questo succede, Per esempio, durante l'imaging di campioni biomedici su scale temporali ultraveloci. Però, le biomolecole possono essere danneggiate in questo processo dalle radiazioni.

La scoperta del lento, gli elettroni a bassa energia prodotti dalle intense interazioni dei cluster laser forniscono un collegamento mancante nella comprensione del processo da parte degli scienziati, e potrebbe spiegare perché le biomolecole sono danneggiate.

È noto che intense interazioni di cluster laser producono ioni energetici ed elettroni, ma ora, in un articolo pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno rivelato che anche gli elettroni relativamente lenti vengono prodotti in grandi quantità.

Capire la nanoscala

Un team di ricercatori dell'Imperial College di Londra, l'Università di Rostock, il Max-Born-Institute, l'Università di Heidelberg e ELI-ALPS hanno esposto minuscoli ammassi costituiti da poche migliaia di atomi a ultracorti, intensi impulsi laser. Hanno scoperto che la stragrande maggioranza degli elettroni emessi era molto lenta e veniva emessa con un ritardo rispetto agli elettroni più energetici.

Scienziato capo Dr. Bernd Schütte, che eseguì gli esperimenti presso il Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha detto:"Molti fattori, incluso il campo magnetico terrestre, influenzano il movimento degli elettroni lenti, rendendo la loro individuazione molto difficile e spiegando perché non sono stati osservati prima. Le nostre osservazioni erano indipendenti dallo specifico cluster e dai parametri laser utilizzati, e ci aiutano a comprendere i complessi processi che si evolvono su scala nanometrica".

Quando particelle o ammassi su scala nanometrica (dimensioni nanometriche) vengono colpiti da intensi impulsi laser, si producono vari fenomeni, e la maggior parte sono ben compresi. Però, la generazione di ioni altamente carichi ha finora posto un enigma per i ricercatori. Questo perché le simulazioni prevedevano che elettroni e ioni si sarebbero ricombinati, riducendo la carica degli ioni.

Risolvere l'enigma

La scoperta degli elettroni lenti risolve questo enigma. Poiché vengono rilasciati dopo gli elettroni più energetici, molti degli elettroni lenti possono sfuggire al cluster di atomi. Come conseguenza, diventa molto più difficile per gli ioni carichi trovare elettroni partner con cui possono ricombinarsi, e molti di loro rimangono molto carichi.

L'autore senior Professor Jon Marangos, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"I ricercatori hanno studiato l'emissione energetica di particelle da ammassi atomici irradiati da laser dalla metà degli anni '90.

"Ciò che sorprende è che fino ad ora l'emissione di elettroni ritardata a energia molto più bassa è stata trascurata. Si scopre che questa è una caratteristica molto forte, che rappresenta la maggior parte degli elettroni emessi, e può svolgere un ruolo importante quando la materia condensata o grandi molecole di qualsiasi tipo interagiscono con un impulso laser ad alta intensità".

Espellere gli elettroni

Per comprendere le osservazioni sperimentali, Il professor Thomas Fennel e colleghi dell'Università di Rostock e del Max-Born-Institute hanno simulato l'interazione dell'impulso laser con l'ammasso. Ha detto:"Le nostre simulazioni atomistiche hanno mostrato che gli elettroni lenti risultano da un processo in due fasi, il cui secondo passo si basa su un calcio finale che finora è sfuggito all'attenzione dei ricercatori".

Primo, l'intenso impulso laser stacca gli elettroni dai singoli atomi. Questi elettroni rimangono intrappolati nell'ammasso poiché sono fortemente attratti dagli ioni. Quando questa attrazione diminuisce man mano che le particelle si allontanano l'una dall'altra durante l'espansione dei cluster, la scena è pronta per il secondo importante passo.

Gli elettroni debolmente legati ottengono il loro ultimo calcio per fuggire dall'ammasso quando si scontrano con uno ione altamente eccitato. Poiché tali processi correlati sono piuttosto difficili da modellare, le risorse informatiche della North-German Supercomputing Alliance (HLRN) sono state essenziali per risolvere il puzzle.