(a) Instantánea de la disposición de las moléculas de agua en el líquido (rojo:átomos de oxígeno, gris; átomos de hidrógeno). Las líneas punteadas indican enlaces de hidrógeno entre las moléculas. Cada molécula de agua posee un momento dipolar eléctrico que genera un campo eléctrico en su entorno. La disposición molecular fluctúa en el dominio del tiempo de femtosegundos. (b) Campo eléctrico fluctuante del líquido. La línea azul muestra el campo eléctrico momentáneo que actúa sobre el orbital molecular 3a1 (recuadro) en función del tiempo (en femtosegundos). Los picos más fuertes inducen el proceso de ionización en túnel por el cual un electrón e- puede salir del orbital. Crédito:MBI
Las moléculas de agua experimentan movimientos de intermitencia ultrarrápidos a temperatura ambiente y generan campos eléctricos extremadamente fuertes en su entorno. Nuevos experimentos demuestran cómo en presencia de tales campos se generan y manipulan electrones libres en el líquido con la ayuda de un campo externo de terahercios.
La molécula de agua H 2 O muestra un momento dipolar eléctrico debido a las diferentes densidades de electrones en los átomos de oxígeno (O) e hidrógeno (H). Dichos dipolos moleculares generan un campo eléctrico en agua líquida. La fuerza de este campo fluctúa en una escala de tiempo de femtosegundos y, por periodos cortos, alcanza valores máximos de hasta 300 MV / cm (300 millones de voltios por cm). En un campo tan alto un electrón puede salir de su estado ligado, un orbital molecular y un túnel a través de una barrera de energía potencial hacia el líquido vecino. Este evento representa un proceso de ionización mecánica cuántica. En equilibrio, el electrón vuelve muy rápidamente a su estado inicial ya que el campo eléctrico fluctuante no tiene una dirección espacial preferencial y, por lo tanto, el electrón no se aleja del sitio de ionización. Debido a la recombinación de carga altamente eficiente, el número de electrones no unidos (libres) sigue siendo extremadamente pequeño, en promedio menos de una milmillonésima parte del número de moléculas de agua.
Investigadores del Max-Born-Institute en Berlín han demostrado ahora que un campo eléctrico externo con frecuencias en el rango de 1 terahercio mejora el número de electrones libres hasta en un factor de 1000. El campo THz tiene una fuerza máxima de 2 MV / cm, eso es menos del 1% de la fuerza del campo fluctuante en el líquido. Sin embargo, el campo THz tiene una dirección espacial preferencial. En esta dirección, los electrones generados por el campo fluctuante se aceleran y alcanzan una energía cinética de aproximadamente 11 eV, el potencial de ionización de una molécula de agua. Este proceso de transporte suprime la recombinación de carga en el sitio de ionización. Los electrones viajan a una distancia de muchos nanómetros antes de localizarse en un sitio diferente en el líquido. Este último proceso provoca fuertes cambios en la absorción y el índice de refracción del líquido por lo que se puede seguir el comportamiento dinámico de los electrones con el método de espectroscopia de THz bidimensional.
Estos sorprendentes resultados revelan un nuevo aspecto de campos eléctricos extremadamente fuertes en agua líquida, la ocurrencia de eventos espontáneos de ionización tunelizada. Tales eventos podrían jugar un papel importante en la auto-disociación de H 2 O moléculas en OH— y H 3 O + iones. Es más, los experimentos establecen un método novedoso para la generación, transporte, y localización de cargas en líquidos con la ayuda de fuertes campos de THz. Esto permite manipular las propiedades eléctricas básicas de los líquidos.
Espectroscopía bidimensional de terahercios (2D-THz). (a) Esquema del experimento. Dos pulsos de THz A (excitación) y B (sonda) separados por el tiempo de retardo t interactúan con un chorro de agua fino (azul, espesor 50 µm). El campo THz transmitido se registra mediante un detector de resolución de fase que utiliza muestreo electroóptico (EOS). (b) Campo eléctrico dependiente del tiempo del pulso A (verde) y el pulso B (naranja). El campo eléctrico del pulso B transmitido después de la excitación por el pulso A se muestra como una línea discontinua (tiempo de retardo entre los pulsos A y B t =7000 fs). (c) Índice de refracción del agua sin excitación de THz (líneas continuas) y después de la generación de electrones (símbolos, concentración de electrones 5 × 10 -6 moles / litro). Las curvas negras representan la parte real del índice de refracción, el rojo curva la parte imaginaria que es proporcional a la fuerza de absorción de THz del chorro de agua. Tanto la parte real como la imaginaria del índice de refracción se reducen significativamente por la generación de electrones. Crédito:MBI
