Terahertz-bølger fra elektroner, der oscillerer i flydende vand

Ionisering af vandmolekyler med lys genererer frie elektroner i flydende vand. Efter generation, den såkaldte solvatiserede elektron dannes, en lokaliseret elektron omgivet af en skal af vandmolekyler. I den ultrahurtige lokaliseringsproces, elektronen og dens vandskal viser stærke svingninger, giver anledning til terahertz-emission i snesevis af picosekunder.

Ionisering af atomer og molekyler med lys er en grundlæggende fysisk proces, der genererer en negativt ladet fri elektron og en positivt ladet moderion. Hvis man ioniserer flydende vand, den frie elektron gennemgår en sekvens af ultrahurtige processer, hvorved den taber energi og til sidst lokaliseres på et nyt sted i væsken, omgivet af en vandskal [Fig. 1]. Lokaliseringsprocessen omfatter en reorientering af vandmolekyler på det nye sted, en såkaldt solvationsproces, for at minimere den elektriske interaktionsenergi mellem elektronen og vanddipolmomenterne. Den lokaliserede elektron adlyder kvantemekanikkens love og viser diskrete energiniveauer. Elektronlokalisering forekommer i subpicosecond-tidsområdet (1 ps =10 ^-12 s) og efterfølges af spredning af overskydende energi til væsken.

Forskere ved Max-Born-Institutet har nu observeret stråling i terahertz-området (1 THz =10 ¹² Hz), som initieres under elektronlokaliseringsprocessen. Som de rapporterer i det seneste nummer af Fysisk gennemgangsbreve , Vol. 126, 097401 (2021), THz-emissionen kan vare i op til 40 ps, dvs. meget længere end selve lokaliseringsprocessen. Den viser en frekvens mellem 0,2 og 1,5 THz, afhængig af elektronkoncentrationen i væsken.

De udsendte THz-bølger stammer fra oscillationer af de solvatiserede elektroner og deres vandskaller. Oscillationsfrekvensen bestemmes af det lokale elektriske felt, som væskemiljøet udøver på dette kvantesystem. Tilføjelse af hydrerede elektroner til væsken ændrer det lokale felt og, dermed, inducerer en ændring af oscillationsfrekvensen med elektronkoncentrationen. Mest overraskende er den forholdsvis svage dæmpning af oscillationerne, som peger på en svag interaktion med det fluktuerende større miljø i væsken og en langsgående karakter af de underliggende elektron- og vandbevægelser.

De nye eksperimentelle resultater forklares af en teoretisk model baseret på et polaronbillede som forklaret i fig. 1. Polaronen er en excitation, som inkluderer koblede bevægelser af elektronen og vandskallen ved lav frekvens. På grund af sådanne interne ladningssvingninger, den hydrerede elektron udsender en THz-bølge. Den svage dæmpning af denne bølge giver mulighed for en manipulation af emissionen, f.eks., ved interaktion af den hydrerede elektron med en sekvens af ultrakorte lysimpulser.