Un polarón oscilante en agua líquida:(a) Red esquemática de moléculas de agua con enlaces de hidrógeno de agua pura (rojo:átomos de oxígeno, verde:átomos de hidrógeno). (b) Electrón solvatado en agua (nube amarillo-roja). El electrón atrae los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, polarizando así su entorno de moléculas de agua y generando una trampa de potencial autoconsistente para el electrón. El electrón solvatado de esta manera representa un sistema cuántico elemental (c) Una posible excitación elemental es un movimiento combinado del electrón y la capa de agua, un llamado polarón. El polarón se puede conectar con una oscilación del tamaño del sistema cuántico (paneles (b) y (c)), cambiando la fuerza de la polarización eléctrica general que se origina en las moléculas de agua. (d) La polarización eléctrica oscilante emite un campo eléctrico E_osc (τ) que se representa en función del tiempo τ y representa la cantidad observada experimentalmente. Crédito:MBI
La ionización de las moléculas de agua por la luz genera electrones libres en el agua líquida. Después de la generación se forma el llamado electrón solvatado, un electrón localizado rodeado por una capa de moléculas de agua. En el proceso de localización ultrarrápida, el electrón y su caparazón de agua muestran fuertes oscilaciones, dando lugar a una emisión de terahercios durante decenas de picosegundos.
La ionización de átomos y moléculas por la luz es un proceso físico básico que genera un electrón libre cargado negativamente y un ion padre cargado positivamente. Si uno ioniza agua líquida, el electrón libre se somete a una secuencia de procesos ultrarrápidos mediante los cuales pierde energía y finalmente se localiza en un nuevo sitio en el líquido, rodeado por una concha de agua [Fig. 1]. El proceso de localización incluye una reorientación de las moléculas de agua en el nuevo sitio, un llamado proceso de solvatación, para minimizar la energía de interacción eléctrica entre el electrón y los momentos dipolares del agua. El electrón localizado obedece a las leyes de la mecánica cuántica y muestra niveles de energía discretos. La localización de electrones ocurre en el rango de tiempo de subpicosegundos (1 ps =10 -12 s) y va seguido de la disipación del exceso de energía en el líquido.
Los investigadores del Max-Born-Institute ahora han observado radiación en el rango de terahercios (1 THz =10 12 Hz) que se inicia durante el proceso de localización de electrones. Como informan en la reciente edición de Cartas de revisión física , Vol. 126, 097401 (2021), la emisión de THz puede persistir hasta 40 ps, es decir., mucho más que el proceso de localización en sí. Muestra una frecuencia entre 0,2 y 1,5 THz, dependiendo de la concentración de electrones en el líquido.
Las ondas THz emitidas se originan a partir de oscilaciones de los electrones solvatados y sus capas de agua. La frecuencia de oscilación está determinada por el campo eléctrico local que ejerce el entorno líquido sobre este sistema cuántico. Agregar electrones hidratados al líquido cambia el campo local y, por lo tanto, induce un cambio de frecuencia de oscilación con la concentración de electrones. Lo más sorprendente es la amortiguación comparativamente débil de las oscilaciones que apunta a una interacción débil con el entorno fluctuante más grande en el líquido y un carácter longitudinal de los movimientos subyacentes de electrones y agua.
Los nuevos resultados experimentales se explican por un modelo teórico basado en una imagen polarón como se explica en la Fig. 1. El polarón es una excitación que incluye movimientos acoplados del electrón y la capa de agua a baja frecuencia. Debido a tales oscilaciones internas de carga, el electrón hidratado irradia una onda THz. La débil amortiguación de esta onda permite una manipulación de la emisión, p.ej., por interacción del electrón hidratado con una secuencia de pulsos de luz ultracortos.
