研究人員利用強雷射場揭示了液體中獨特的電子動力學，為高次諧波頻譜提供了新的見解，並揭示了電子平均自由路徑在確定光子能量極限方面的重要性。液體中電子的行為在許多化學過程中起著重要作用，而這些化學過程對生物和整個世界都很重要。例如，液體中速度較慢的電子有可能導致DNA 鏈中斷。

強雷射脈衝（紅色）擊中水分子流，誘發液體中電子的超快動態變化。圖片來源：Joerg M. Harms / MPSD

但是，電子運動很難被捕捉，因為它們是在阿托秒（五萬億分之一秒）內發生的。由於先進的雷射現在可以在這樣的時間尺度內工作，因此科學家可以透過一系列技術瞥見這些超快過程。

一個國際研究小組現已證明，可以利用強雷射場探測液體中的電子動力學，並找回電子的平均自由路徑–即電子在與另一個粒子碰撞之前所能移動的平均距離。

東北大學同步輻射創新智慧國際中心（SRIS）的鐘寅是這篇論文的共同第一作者，他說：”我們發現，液體發射特定光譜（即高次諧波光譜）的機制與氣體和固體等其他物質相中的機制明顯不同。我們的發現為深入了解液體中的超快動力學打開了一扇大門。”

研究小組的研究詳情於2023年9月28日發表在《自然-物理》（Nature Physics）雜誌上。

高次諧波發生技術

利用強雷射場產生高能量光子，這種現像被稱為高次諧波發生（HHG），是一種廣泛應用於許多不同科學領域的技術，例如用於探測材料中的電子運動或及時追蹤化學反應。人們對氣體中的高次諧波發生現象進行了廣泛的研究，最近又對晶體中的高次諧波發生現象進行了研究，但對液體中的高次諧波發生現象卻知之甚少。

研究小組的成員還包括漢堡馬克斯-普朗克物質結構與動力學研究所（MPSD）和蘇黎世聯邦理工學院的科學家，他們報告了液體在強烈雷射照射下的獨特行為。到目前為止，人們對液體中的這些光誘導過程幾乎一無所知，而這些過程無所不在，並存在於每一個化學反應中。相較之下，科學家近年來在探索固體在輻照下的行為方面取得了長足進步。

因此，蘇黎世聯邦理工學院的實驗小組開發了一種獨特的儀器，專門研究液體與強雷射的相互作用。研究人員發現了一種獨特的行為，即在液體中透過HHG 獲得的最大光子能量與雷射波長無關。那麼，是什麼因素造成了這種現象呢？

揭示光子能量上限

為了回答這個問題，科學家發現了一種迄今為止尚未發現的連結。

“電子在液體中與另一個粒子碰撞之前所能移動的距離是對光子能量施加上限的關鍵因素，”該研究的合著者、MPSD 研究員尼古拉斯-坦科涅-德讓說。”我們能夠從實驗數據中檢索到這個量–稱為有效電子平均自由路徑–這要歸功於一個專門開發的分析模型，它考慮到了電子的散射”。

透過將液體中HHG 的實驗和理論研究結果相結合，科學家不僅找出了決定最大光能的關鍵因素，還提供了一個直觀的模型來闡明其基本機制。

Yin補充說：”在低動能區測量電子的有效平均自由路徑非常具有挑戰性，本研究就是這樣做的。最終，我們的合作努力將HHG 確立為研究液體的一種新的光譜工具，因此是探索了解液體中電子動力學的一塊重要基石。”

這項研究是Yin之前工作的延續。