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强力极紫外光脉冲使原子团簇成串释放电子

2016-12-10 09:48
潇纵
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  由日本东北大学、京都大学、广岛大学、德国海德堡大学、日本产业技术综合研究所(产综研)、日本理化学研究所(理研)等组成的联合研究小组于2016年12月5日宣布,通过向氖原子团簇照射自由电子激光的强力极紫外光脉冲,发现了大量电子成串射出的现象。

  与物质的离子化能相比,只要向物质照射拥有能量略低的光子能(单个光子的能量)的强力极紫外光脉冲,就会过渡性实现物质中的大量电子同时被激发的多重激发态。以前业界预测这种多重激发态通过释放电子来释放、衰减能量,但衰减机理的详细情况一进未能充分查明。

  此次研究小组以查明该衰减机理为目标,在真空中制备了平均原子数为5000个的氖团簇,在照射极紫外光脉冲后,利用称为运动量图像计测法的方法,对释放出的电子的光谱实施了计测。其间,将照射的光的能量调整到了使位于氖原子2p轨道上的电子向3d里德伯轨道迁移的20.3eV能量,在氖团簇中生成了大量3d里德伯原子激发态。

  研究人员计测了伴随由此生成的团簇多重激发态的衰减而形成的电子光谱,在电子光谱中观测了大量特征性峰值。在分析这些峰值后,研究人员发现,激发的电子从3d轨道向2p轨道迁移后并未恢复为原子基态,而是向能量比3d轨道略低的3p轨道及3s轨道迁移,并伴随这一迁移将剩余能量传递给接近的激发电子,释放3d轨道的电子,生成离子。研究小组将这一机理命名为“里德伯原子间库仑衰减(Rydberg Interatomic Coulombic Decay)”。

  另外,研究人员还查明了由里德伯原子间库仑衰减生成的3p及3s激发态原子与其他激发原子进一步相互作用,使拥有多种能量的电子成串射出的“原子间库仑衰减级联(Interatomic Coulombic Decay Cascades)”机理。理论计算显示,这两种机理均是在10飞秒到100飞秒级的非常短的时间内发生的超高速过程。

  最近的研究表明,即使向原子团簇照射光子能非常高的X线自由电子激光,也会过渡性大量生成多重激发态。研究人员由此预测,通过照射在放射疗法中广泛应用的高能离子及X线,也会在射线感应分子周围过渡性生成大量激发原子。因此,此次查明的新衰减过程可以说对射线损伤及射线治疗起到了重要的作用。

  此次研究是日本文部科学省X线自由电子激光重点战略研究课题、日本文部科学省X线自由电子激光利用推进研究课题、日本理化学研究所SACLA利用装置提案课题,以及共同研究基地课题各事业的一部分。研究成果已于20106年12月5日刊登在英国科学电子杂志《自然通讯》(Nature Communications)上。

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