Физики описали поведение нанокапель сверхтекучего гелия после взаимодействия с лазерным излучением энергией 21 и 22,2 электронвольта. Сравнивая теоретические расчеты с экспериментально полученными фотоэлектронными спектрами, авторы установили, что релаксация происходит ультрабыстро (меньше трех пикосекунд) и в три стадии.

После возбуждения низших возбужденных уровней в нанокапле образуется пузырек. Поднимаясь на поверхность, он увлекает за собой и высвобождает возбужденные атомы гелия, которые затем релаксируют. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Взаимодействие излучения с веществом наноразмеров может приводить к самым разным исходам, которые зависят от механизма возвращения системы в равновесное состояние (релаксации). В зависимости от окружения релаксация бывает ультрабыстрой (несколько фемтосекунд) или медленной, если энергия может задерживаться метастабильными состояниями. Понимание ультрабыстрого ответа наночастиц на возбуждение световой энергией часто необходимо для исследований в областях экологии, медицины и фотокатализа.

В качестве модельной системы для изучения фотодинамики в наноструктурах со слабыми связями идеально подходят сверхтекучие нанокапли гелия. Атомы гелия имеют простую электронную структуру, межатомные связи чрезвычайно слабы, а структура нанокапель однородна и почти не зависит от размера в силу сверхтекучей природы.

Свойства такой системы изучают бомбардировкой электронами или облучением экстремальным ультрафиолетом. На данный момент ученые уже выявили некоторые сверхбыстрые процессы, инициируемые возбуждением высокоэнергетических состояний, однако переходы из состояний ниже порога ионизации полем и, в частности, образование пузырьков в чистых нанокаплях, не исследовали ни по самой сильной полосе поглощения возбужденного атома гелия (около 21,6 электронвольта), ни по самому низкоэнергетическому оптически доступному состоянию (21 электронвольт).

Чтобы изучить процесс релаксации незаряженных нанокапель гелия, группа ученых из семи стран под руководством Марселя Мюдриха (Marcel Mudrich) из Орхусского университета возбуждала низшие возбужденные уровни атомов гелия лазерным излучением, регистрировала фотоэлектронные спектры и сравнивала полученные данные с рассчитанными моделями.