Las sondas de espectroscopia de THz fotoexcitan plasma en agua. Crédito:Tan et al., doi 10.1117 / 1.AP.3.1.015002
La fotoionización del agua implica la migración y solvatación de electrones, con muchos intermedios transitorios y muy activos. El proceso da como resultado un gran cambio azul en el espectro de absorción, desde la región de THz o gigahercios hasta el rango visible. Si bien se ha investigado ampliamente el comportamiento de los electrones casi libres de baja densidad excitados por una densidad de potencia de bomba pequeña, todavía sabemos poco sobre la evolución transitoria del plasma fotoexcitado en agua líquida. Recientemente, un equipo de investigación internacional proporcionó información valiosa en un estudio publicado en Fotónica avanzada .
Según Liangliang Zhang, profesor de física en la Capital Normal University de Beijing y uno de los autores principales del estudio, el mecanismo físico de la evolución del plasma en la escala ultrarrápida de subpicosegundos en agua líquida se considera una extensión de la teoría del plasma gaseoso. Pero el plasma inducido por láser en agua líquida se acompaña de efectos no lineales más complejos y más fuertes que los del gas, dado que el agua tiene un coeficiente no lineal más alto, un umbral de excitación más bajo, y una mayor densidad de electrones. Estas diferencias prometen la posibilidad de desbloquear nuevas tecnologías y aplicaciones, alentando a los investigadores a explorar el mecanismo físico potencial del plasma fotoexcitado en agua líquida.
¿Electrones de agua solvente?
El equipo de Zhang indujo plasma en una película de agua estable de flujo libre utilizando pulsos de láser de femtosegundos de 1650 nm. Enfocaron estos intensos pulsos de terahercios (THz) para sondear a una escala de subpicosegundos la evolución temporal de los electrones cuasifreses del plasma inducido por láser en el agua. Se demostró la absorción de ondas THz con una característica única de caída de dos pasos en la firma del dominio del tiempo, indicando la importancia de la solvatación de electrones en agua.
(a) Diagrama del sistema experimental. (b) Formas de onda de THz en el dominio del tiempo en agua líquida sin bomba óptica (línea negra) y bajo la absorción máxima causada por el plasma formado (línea roja). (c) Curva de evolución transitoria de la absorción de ondas THz por el plasma en agua con la energía de bombeo de 90 μJ / pulso. (d) Los puntos negros indican la densidad máxima de electrones cuasi-libres con diferentes energías de pulso de bombeo. Los puntos naranjas muestran la relación entre la relación de solvatación y la energía del pulso de la bomba en el estado de equilibrio. Crédito:Tan et al., doi 10.1117 / 1.AP.3.1.015002
Usando el modelo Drude combinado con el modelo intermedio multinivel y el modelo de partículas en una caja, los investigadores simularon y analizaron los electrones casi libres para obtener información clave, como las características de absorción en el dominio de la frecuencia y la relación de solvatación. Notablemente, a medida que aumentaba la densidad de electrones casi libre, las trampas relacionadas con los estados ligados parecían saturarse, resultando en una gran cantidad de electrones cuasifree que no se pueden solvatar completamente. Según Zhang, "Este trabajo proporciona información sobre los aspectos fundamentales del proceso de transporte de carga en el agua y sienta las bases para una mayor comprensión de las propiedades fisicoquímicas y la evolución transitoria del plasma excitado por pulsos de láser de femtosegundos en el agua".
