[論文レビュー] High-harmonic spectroscopy of low-energy electron-scattering dynamics in liquids

Angana Mondal, Ofer Neufeld+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 74被引用数 3

ひとこと要約

本研究は液体における高調波分光法（HHS）を画期的に展開し、高調波カットオフエネルギー（Ec）が閾値強度を超えると波長に依存せず、液体固有の特性であることを示した。著者らは、電子軌道が散乱によって特徴的な平均自由行程に制限されることを仮定した半古典的モデルを提唱し、楕円偏光実験と水およびアルコールクラスターにおけるab initio時間発展密度汎関数理論（TDDFT）シミュレーションによって裏付けられた。

ABSTRACT

High-harmonic spectroscopy (HHS) is a nonlinear all-optical technique with inherent attosecond temporal resolution, which has been applied successfully to a broad variety of systems in the gas phase and solid state. Here, we extend HHS to the liquid phase, and uncover the mechanism of high-harmonic generation (HHG) for this phase of matter. Studying HHG over a broad range of wavelengths and intensities, we show that the cut-off ($E_c$) is independent of the wavelength beyond a threshold intensity, and find that $E_c$ is a characteristic property of the studied liquid. We explain these observations within an intuitive semi-classical model based on electron trajectories that are limited by scattering to a characteristic length, which is connected to the electron mean-free path. Our model is validated against rigorous multi-electron time-dependent density-functional theory calculations in, both, supercells of liquid water with periodic boundary conditions, and large clusters of a variety of liquids. These simulations confirm our interpretation and thereby clarify the mechanism of HHG in liquids. Our results demonstrate a new, all-optical access to effective mean-free paths of slow electrons ($\leq$10 eV) in liquids, in a regime that is inaccessible to accurate calculations, but is critical for the understanding of radiation damage to living tissue. Our work also establishes the possibility of resolving sub-femtosecond electron dynamics in liquids, which offers a novel, all-optical approach to attosecond spectroscopy of chemical processes in their native liquid environment.

研究の動機と目的

• 液体相における高調波分光法（HHS）を拡張し、それが依然として十分に理解されていない分野であることを目的とする。
• バルク液体における高調波生成（HHG）の微視的メカニズムを特定することを目的とする。
• HHGカットオフエネルギーと液体内における低エネルギー電子（≤10 eV）の有効平均自由行程との間の関係を確立することを目的とする。
• 従来の計算では到達できない液体内の電子ダイナミクスを、すべて光学的で間接的な方法でプローブすることを目的とする。
• 提示されたモデルを実験的測定とab initioシミュレーションの両方で検証することを目的とする。

提案手法

• 広範なレーザー波長と強度を用いて、液体水およびアルコールに対して高調波分光実験を実施した。
• 線形偏光および楕円偏光レーザー場下での高調波スペクトルを測定し、電子軌道ダイナミクスを調べた。
• 電子の戻りが散乱によって特徴的な長さに制限される半古典的モデルを提唱した。この長さは電子の平均自由行程に関連している。
• 周期的境界条件を用いたスーパセルおよび大規模クラスターにおける、多電子時間発展密度汎関数理論（TDDFT）計算を厳密に実施した。
• 実験的カットオフエネルギーとTDDFTシミュレーションを比較し、モデルの予測を検証した。
• レーザー強度に伴うカットオフエネルギーのスケーリングを用いて、液体における主要なHHGメカニズムを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体における高調波カットオフエネルギー（Ec）は、レーザー波長および強度に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ2 長距離秩序が欠如する液体相において、高調波生成を支配する微視的メカニズムは何か？
• RQ3 液体内での電子散乱ダイナミクスは、観測されるカットオフエネルギーおよび高調波スペクトルにどのように影響するか？
• RQ4 高調波分光法は、液体内における低速電子の有効平均自由行程への間接的アクセスを提供できるか？
• RQ5 半古典的軌道モデルは液体におけるHHGをどの程度説明できるか。また、ab initioシミュレーションと比較してどう異なるか？

主な発見

• 高調波カットオフエネルギー（Ec）は、閾値強度を超えるとレーザー波長に依存せず、液体固有の物性であることを示した。
• カットオフエネルギーは、レーザー電場振幅の二乗に比例するスケーリングを示し、半古典的三段階モデルに一致するが、散乱による制限が加わっている。
• 観測されたカットオフエネルギーは電子の平均自由行程と相関しており、HHGと液体内電子輸送の直接的な関連を確立した。
• 楕円偏光測定により、電子の戻りが場強度ではなく散乱によって制限されることを確認し、モデルの予測を裏付けた。
• スーパセルおよび大規模クラスターにおけるTDDFTシミュレーションにより、半古典的モデルが妥当であり、散乱が電子軌道を制限する役割を果たしていることが確認された。
• 本研究は、液体中におけるフェムト秒未満の電子ダイナミクスをプローブする画期的な全光学的手法を示し、溶液中環境におけるアトセカンド分光法の実現を可能にした。