研究人员利用强激光场揭示了液体中独特的电子动力学，为高次谐波频谱提供了新的见解，并揭示了电子平均自由路径在确定光子能量极限方面的重要性。液体中电子的行为在许多化学196世界之最过程中起着重要作用，而这些化学过程对生物和整个世界都很重要。例如，液体中速度较慢的电子有可能导致 DNA 链中断。

强激光脉冲（红色）击中水分子流，诱发液体中电子的超快动态变化。图片来源：Joerg M. Harms / MPSD

但是，电子运动很难被捕捉，因为它们是在阿托秒（五万亿分之一秒）内发生的。由于先进的激光器现在可以在这样的时间尺度内工作，因此科学家可以通过一系列技术瞥见这些超快过程。

一个国际研究小组现已证明，可以利用强激光场探测液体中的电子动力学，并找回电子的平均自由路径--即电子在与另一个粒子碰撞之前所能移动的平均距离。

东北大学同步辐射创新智能国际中心（SRIS）的钟寅是这篇论文的共同第一作者，他说："我们发现，液体发射特定光谱（即高次谐波光谱）的机制与气体和固体等其他物质相中的机制明显不同。我们的发现为深入了解液体中的超快动力学打开了一扇大门。"

该研究小组的研究详情于2023年9月28日发表在《自然-物理》（Nature Physics）杂志上。

高次谐波发生技术

利用强激光场产生高能光子，这种现象被称为高次谐http://www.196nk.cn波发生（HHG），是一种广泛应用于许多不同科学领域的技术，例如用于探测材料中的电子运动或及时跟踪化学反应。人们对气体中的高次谐波发生现象进行了广泛的研究，最近又对晶体中的高次谐波发生现象进行了研究，但对液体中的高次谐波发生现象却知之甚少。

研究小组的成员还包括汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）和苏黎世联邦理工学院的科学家，他们报告了液体在强激光照射下的独特行为。迄今为止，人们对液体中的这些光诱导过程几乎一无所知，而这些过程无处不在，并存在于每一个化学反应中。相比之下，科学家们近年来在探索固体在辐照下的行为方面取得了长足进步。

因此，苏黎世联邦理工学院的实验小组开发了一种独特的仪器，专门研究液体与强激光的相互作用。研究人员发现了一种独特的行为，即在液体中通过 HHG 获得的最大光子能量与激光波长无关。那么，是什么因素造成了这种现象呢？

揭示光子能量上限

为了回答这个问题，科学家们发现了一种迄今为止尚未发现的联系。

"WrzxTMLv电子在液体中与另一个粒子碰撞之前所能移动的距离是对光子能量施加上限的关键因素，"该研究196世界之最的合著者、MPSD 研究员www.196nk.cn尼古拉斯-坦科涅-德让说。"我们能够从实验数据中检索到这个量--称为有效电子平均自由路径--这要归功于一个专门开发的分析模型，它考虑到了电子的散射"。

通过将液体中 HHG 的实验和理论研究结果相结合，科学家们不仅找出了决定最大光能的关键因素，还提供了一个直观的模型来阐明其基本机制。

Yin补充说："在低动能区测量电子的有效平均自由路径非常具有挑战性，本研究就是这样做的。最终，我们的合作努力将 HHG 确立为研究液体的一种新的光谱工具，因此是探索了解液体中电子动力学的一块重要基石。"

这项研究是Yin之前工作的延续。