Los científicos descubrieron que se producen electrones relativamente lentos cuando los láseres intensos interactúan con pequeños grupos de átomos, reviviendo las teorías actuales.

Las interacciones intensas de los cúmulos de láser ocurren cuando pequeños cúmulos de átomos, nanómetros (mil millonésimas de metro) de tamaño, son golpeados con láseres intensos. Esto pasa, por ejemplo, al obtener imágenes de muestras biomédicas en escalas de tiempo ultrarrápidas. Sin embargo, las biomoléculas pueden dañarse en este proceso por radiación.

El descubrimiento de lo lento Los electrones de baja energía producidos por las intensas interacciones de los cúmulos de láser proporcionan un eslabón perdido en la comprensión del proceso por parte de los científicos. y podría explicar por qué se dañan las biomoléculas.

Se sabía que las intensas interacciones de los cúmulos de láser producían iones y electrones energéticos, pero ahora, en un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física , Los investigadores han revelado que también se producen electrones relativamente lentos en grandes cantidades.

Entendiendo la nanoescala

Un equipo de investigadores del Imperial College London, la Universidad de Rostock, el Max-Born-Institute, la Universidad de Heidelberg y ELI-ALPS expusieron pequeños grupos que constan de unos pocos miles de átomos a ultracortos, pulsos de láser intensos. Descubrieron que la gran mayoría de los electrones emitidos eran muy lentos y se emitían con un retraso en comparación con los electrones más energéticos.

El científico principal Dr. Bernd Schütte, que realizó los experimentos en el Departamento de Física de Imperial, dijo:"Muchos factores, incluido el campo magnético de la Tierra, influyen en el movimiento de los electrones lentos, dificultando mucho su detección y explicando por qué no se han observado antes. Nuestras observaciones fueron independientes de los parámetros específicos de clúster y láser utilizados, y nos ayudan a comprender los complejos procesos que evolucionan a nanoescala ".

Cuando las partículas o grupos en la nanoescala (nanómetros de tamaño) son golpeados por intensos pulsos de láser, se producen varios fenómenos, y la mayoría se entienden bien. Sin embargo, la generación de iones altamente cargados ha planteado hasta ahora un enigma para los investigadores. Esto se debe a que las simulaciones predijeron que los electrones y los iones se recombinarían, reduciendo la carga de los iones.

Resolviendo el acertijo

El descubrimiento de los electrones lentos resuelve este enigma. Debido a que se liberan después de los electrones más energéticos, muchos de los electrones lentos pueden escapar del grupo de átomos. Como consecuencia, se vuelve mucho más difícil para los iones cargados encontrar electrones asociados con los que puedan recombinarse, y muchos de ellos siguen estando muy cargados.

El autor principal, el profesor Jon Marangos, del Departamento de Física de Imperial, dijo:“Los investigadores han estado estudiando la emisión energética de partículas de cúmulos atómicos irradiados con láser desde mediados de la década de 1990.

"Lo que es sorprendente es que hasta ahora se ha pasado por alto la emisión de electrones retardada de energía mucho más baja. Resulta que esta es una característica muy fuerte, representando la mayoría de los electrones emitidos, y puede desempeñar un papel importante cuando la materia condensada o las moléculas grandes de cualquier tipo interactúan con un pulso láser de alta intensidad ".

Expulsando electrones

Para comprender las observaciones experimentales, El profesor Thomas Fennel y sus colegas de la Universidad de Rostock y el Instituto Max-Born simularon la interacción del pulso láser con el grupo. Dijo:"Nuestras simulaciones atomísticas mostraron que los electrones lentos son el resultado de un proceso de dos pasos, cuyo segundo paso se basa en una patada final que hasta ahora ha escapado a la atención de los investigadores ".

Primero, el intenso pulso de láser separa electrones de átomos individuales. Estos electrones permanecen atrapados en el cúmulo ya que son fuertemente atraídos por los iones. Cuando esta atracción disminuye a medida que las partículas se alejan unas de otras durante la expansión del cúmulo, la escena está preparada para el importante segundo paso.

Los electrones débilmente ligados obtienen su impulso final para escapar del cúmulo cuando chocan con un ion muy excitado. Como tales procesos correlacionados son bastante difíciles de modelar, los recursos informáticos de la Alianza de Supercomputación del Norte de Alemania (HLRN) fueron esenciales para resolver el rompecabezas.