[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究首次在液体中实现高次谐波光谱学（HHS），表明高次谐波截止能量（Ec）在超过某一阈值强度后与波长无关，而是液体的特征性质。作者提出一种半经典模型，其中电子轨迹受散射限制于特征平均自由程，该模型通过椭圆偏振实验和水与醇簇的从头算时间依赖密度泛函理论（TDDFT）模拟得到验证。

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.

研究动机与目标

• 将高次谐波光谱学（HHS）扩展至液相，该领域至今仍理解不足。
• 识别块体液体中高次谐波产生（HHG）的微观机制。
• 建立HHG截止能量与液体中低能电子（≤10 eV）有效平均自由程之间的联系。
• 提供一种全光学、间接探测常规计算难以触及的液体中电子动力学的方法。
• 通过实验测量与从头算模拟共同验证所提出的模型。

提出的方法

• 使用一系列激光波长和强度，在液态水和醇类中开展高次谐波光谱学实验。
• 在线性偏振和椭圆偏振激光场下测量高次谐波谱，以探测电子轨迹动力学。
• 提出一种半经典模型，其中电子返回受散射限制于某一特征长度，该长度与电子平均自由程相关。
• 在具有周期性边界条件的超胞和大簇中执行严格的多电子时间依赖密度泛函理论（TDDFT）计算。
• 将实验测得的截止能量与TDDFT模拟结果进行比较，以验证模型预测。
• 利用截止能量随激光强度的标度关系，推断液体中主导的HHG机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在液体中，高次谐波截止能量（Ec）随激光波长和强度的标度行为如何？
• RQ2 在缺乏长程有序的条件下，液体相中高次谐波产生的微观机制是什么？
• RQ3 液体中电子散射动力学如何影响观测到的截止能量和谐波谱？
• RQ4 高次谐波光谱学能否提供对液体中慢速电子有效平均自由程的间接探测？
• RQ5 半经典轨迹模型在多大程度上可解释液体中的HHG？其与从头算模拟相比如何？

主要发现

• 高次谐波截止能量（Ec）在超过某一阈值强度后与激光波长无关，表明其为液体的材料特异性性质。
• 截止能量与激光电场振幅的平方成正比，与半经典三步模型一致，但受散射限制的影响而有所修正。
• 观测到的截止能量与电子平均自由程相关，建立了HHG与液体中电子输运之间的直接联系。
• 椭圆偏振测量结果证实了模型预测：电子返回受散射限制，而非受场强限制。
• 在超胞和大簇中的TDDFT模拟验证了半经典模型，并确认散射在限制电子轨迹中的作用。
• 本研究展示了一种新颖的全光学方法，用于探测液体中亚飞秒级电子动力学，实现了溶液环境中的阿秒光谱学。