研究人员发现气泡加速能量转移

能量通过一系列过程（例如转移、发射或衰减）在原子或分子系统中流动。你可以想象其中一些细节，例如将球（能量）传给另一个人（另一个粒子），但传球发生的速度比眨眼还快，速度如此之快以至于人们无法很好地理解交换的细节。想象一下，同样的交换发生在一个拥挤的房间里，其他人撞到你，通常会使传递变得复杂和缓慢。然后，想象一下，如果每个人都退后一步，创造一个安全空间，让传递不受阻碍，交换速度会快多少。

康涅狄格大学物理学教授 Nora Berrah 和博士后研究员兼主要作者 Aaron LaForge 等国际科学家合作，见证了这种气泡介导的两种物质之间的增强作用使用超快激光。他们的研究结果现已发表在物理评论 X。

测量之间的能量交换需要几乎难以想象的快速测量，LaForge 说。

“需要更短时间尺度的原因是，当你观察微观系统时，比如原子或分子，它们的运动速度极快，大约在飞秒量级（10^-15s），也就是它们移动几埃（10^-10m)，”拉弗吉说。

Laforge 解释说，这些测量是用所谓的，电子被加速到接近光速，然后使用一组磁铁，电子被迫波动，这导致它们释放出短波长的光脉冲。“利用超快激光脉冲，你可以对一个过程进行时间解析，以确定某件事发生的速度是快是慢，”LaForge 说。

实验的第一步是启动该过程，LaForge 说：“物理学家探测和扰动一个系统，通过快速拍摄反应快照来测量其响应。因此，本质上，我们的目标是制作动态的分子电影。在这种情况下，我们首先在氦纳米液滴中启动两个气泡的形成。然后，使用第二个脉冲，我们确定它们能够相互作用的速度。”

利用第二个激光脉冲，研究人员测量了气泡如何相互作用：“激发两个原子后，原子周围会形成两个气泡。然后原子可以移动并相互作用，而不必推挤周围的原子或分子，”拉弗吉说。

氦纳米液滴被用作模型系统，因为氦是元素周期表中最简单的原子之一，拉弗吉解释说这是一个重要的考虑因素。尽管纳米液滴内有多达一百万个氦原子，但电子结构相对简单，系统中需要解释的元素较少，相互作用更容易阐明。

“如果你研究更复杂的系统，事情很快就会变得更加复杂。例如，即使是液态水也相当复杂，因为分子内部可能会发生相互作用，也可能与邻近的水分子发生相互作用，”LaForge 说。

除了气泡形成和随后的动态变化外，研究人员还观察到了激发原子之间的能量转移或衰减，这比之前预期的快了一个数量级——快至 400 飞秒。起初，他们对于如何解释如此快速的过程感到有些困惑。为了更好地理解这个问题，他们联系了能够进行最先进模拟的理论物理学家同事。

拉弗吉说：“我们的调查结果并不明确，但与理论家的合作使我们能够确定并解释这一现象。”

他指出，这项研究令人兴奋的一点是，我们可以进一步了解这些超快过程的基本原理，为新的研究铺平道路。最大的创新是能够创造一种测量飞秒甚至阿秒（10^-18s) 时间尺度。“当你能进行一项相当基础的实验，并能将其应用于更复杂的事情时，这真的很有意义，”LaForge 说。

研究人员观察到的过程称为原子间库仑衰变 (ICD)，是原子或分子共享和传递能量的重要方式。气泡增强了这一过程，展示了环境如何改变过程发生的速度。由于 ICD 在活体组织对辐射暴露的反应中起着重要作用——通过产生低能电子，这些电子可能会对组织造成损害——这些发现具有生物学重要性，因为类似的气泡很可能在其他液体（如水）和其他分子（如蛋白质）中形成。

“了解微观尺度上能量转移的时间尺度对于物理学、化学和生物学等众多科学领域都至关重要。最近开发的强超快激光技术可以进行前所未有的详细时间分辨研究，从而开辟大量新信息和新知识，”Berrah 说道。