(a) Istantanea della disposizione delle molecole d'acqua nel liquido (rosso:atomi di ossigeno, grigio; atomi di idrogeno). Le linee tratteggiate indicano i legami idrogeno tra le molecole. Ogni molecola d'acqua possiede un momento di dipolo elettrico d che genera un campo elettrico nel suo ambiente. La disposizione molecolare fluttua nel dominio del tempo dei femtosecondi. (b) Campo elettrico fluttuante del liquido. La linea blu mostra il campo elettrico momentaneo che agisce sull'orbitale molecolare 3a1 (riquadro) in funzione del tempo (in femtosecondi). I picchi più forti inducono il processo di ionizzazione a tunnel mediante il quale un elettrone e- può lasciare l'orbitale. Credito:MBI
Le molecole d'acqua subiscono movimenti di dithering ultraveloci a temperatura ambiente e generano campi elettrici estremamente forti nel loro ambiente. Nuovi esperimenti dimostrano come in presenza di tali campi gli elettroni liberi vengono generati e manipolati nel liquido con l'ausilio di un campo terahertz esterno.
La molecola d'acqua H 2 O mostra un momento di dipolo elettrico dovuto alle diverse densità di elettroni sugli atomi di ossigeno (O) e idrogeno (H). Tali dipoli molecolari generano un campo elettrico in acqua liquida. La forza di questo campo fluttua su una scala temporale di femtosecondi e, per brevi periodi, raggiunge valori di picco fino a 300 MV/cm (300 milioni di volt per cm). In un campo così alto, un elettrone può lasciare il suo stato legato, un orbitale molecolare e tunnel attraverso una potenziale barriera di energia nel liquido vicino. Questo evento rappresenta un processo di ionizzazione della meccanica quantistica. In equilibrio, l'elettrone ritorna molto rapidamente al suo stato iniziale poiché il campo elettrico fluttuante non ha una direzione spaziale preferenziale e, così, l'elettrone non si allontana dal sito di ionizzazione. A causa della ricombinazione di carica altamente efficiente, il numero di elettroni non legati (liberi) rimane estremamente piccolo, in media meno di un miliardesimo del numero di molecole d'acqua.
I ricercatori del Max-Born-Institute di Berlino hanno ora dimostrato che un campo elettrico esterno con frequenze nell'intervallo di 1 terahertz aumenta il numero di elettroni liberi fino a un fattore di 1000. Il campo THz ha una forza massima di 2 MV/ cm, cioè meno dell'1% della forza del campo fluttuante nel liquido. Però, il campo THz ha una direzione spaziale preferenziale. Lungo questa direzione, gli elettroni generati dal campo fluttuante vengono accelerati e raggiungono un'energia cinetica di circa 11 eV, potenziale di ionizzazione di una molecola d'acqua. Questo processo di trasporto sopprime la ricombinazione di carica nel sito di ionizzazione. Gli elettroni percorrono una distanza di molti nanometri prima di localizzarsi in un sito diverso nel liquido. Quest'ultimo processo provoca forti variazioni dell'assorbimento e dell'indice di rifrazione del liquido per cui il comportamento dinamico degli elettroni può essere seguito con il metodo della spettroscopia THz bidimensionale.
Questi risultati sorprendenti rivelano un nuovo aspetto dei campi elettrici estremamente forti nell'acqua liquida, il verificarsi di eventi spontanei di ionizzazione tunneling. Tali eventi potrebbero svolgere un ruolo importante nell'auto-dissociazione di H 2 O molecole in OH— e H 3 oh + ioni. Inoltre, gli esperimenti stabiliscono un nuovo metodo per la generazione, trasporto, e localizzazione di cariche nei liquidi con l'ausilio di forti campi THz. Ciò consente di manipolare le proprietà elettriche di base dei liquidi.
Spettroscopia bidimensionale terahertz (2D-THz). (a) Schema dell'esperimento. Due impulsi THz A (eccitazione) e B (sonda) separati dal tempo di ritardo t interagiscono con un sottile getto d'acqua (blu, spessore 50 µm). Il campo THz trasmesso viene registrato da un rivelatore a risoluzione di fase che utilizza il campionamento elettro-ottico (EOS). (b) Campo elettrico dipendente dal tempo dell'impulso A (verde) e dell'impulso B (arancione). Il campo elettrico dell'impulso B trasmesso dopo l'eccitazione dall'impulso A è mostrato come una linea tratteggiata (tempo di ritardo tra gli impulsi A e B t =7000 fs). (c) Indice di rifrazione dell'acqua senza eccitazione THz (linee continue) e dopo la generazione di elettroni (simboli, concentrazione di elettroni 5×10 -6 moli/litro). Le curve nere rappresentano la parte reale dell'indice di rifrazione, il rosso curva la parte immaginaria che è proporzionale alla forza di assorbimento THz del getto d'acqua. Sia la parte reale che quella immaginaria dell'indice di rifrazione vengono ridotte in modo significativo dalla generazione di elettroni. Credito:MBI
