La spettroscopia THz sonda il plasma fotoeccitato in acqua. Credito:Tan et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.015002
La fotoionizzazione dell'acqua comporta la migrazione e la solvatazione di elettroni, con molti intermedi transitori e altamente attivi. Il processo si traduce in un grande spostamento verso il blu nello spettro di assorbimento, dalla regione THz o gigahertz alla gamma visibile. Mentre il comportamento degli elettroni quasi liberi a bassa densità eccitati dalla piccola densità di potenza della pompa è stato ampiamente studiato, sappiamo ancora poco dell'evoluzione transitoria del plasma fotoeccitato in acqua liquida. Preziosi spunti sono stati recentemente forniti da un team di ricerca internazionale in uno studio pubblicato su Fotonica avanzata .
Secondo Liangliang Zhang, professore di fisica alla Capital Normal University di Pechino e uno degli autori senior dello studio, il meccanismo fisico dell'evoluzione del plasma sulla scala ultraveloce del sub-picosecondo in acqua liquida è considerato un'estensione della teoria del plasma gassoso. Ma il plasma indotto dal laser nell'acqua liquida è accompagnato da effetti non lineari più complessi e più forti di quelli nel gas, poiché l'acqua ha un coefficiente non lineare più alto, una soglia di eccitazione più bassa, e una maggiore densità elettronica. Queste differenze promettono la possibilità di sbloccare nuove tecnologie e applicazioni, incoraggiando i ricercatori a esplorare il potenziale meccanismo fisico del plasma fotoeccitato nell'acqua liquida.
Elettroni del solvente dell'acqua?
Il team di Zhang ha indotto il plasma in un film d'acqua stabile e a flusso libero utilizzando impulsi laser a femtosecondi da 1650 nm. Hanno concentrato questi intensi impulsi terahertz (THz) per sondare su scala inferiore ai picosecondi l'evoluzione temporale degli elettroni quasi liberi del plasma indotto dal laser nell'acqua. È stato dimostrato l'assorbimento delle onde THz con una caratteristica di decadimento in due fasi unica nella firma del dominio del tempo, indicando il significato della solvatazione di elettroni in acqua.
(a) Schema del sistema sperimentale. (b) Forme d'onda nel dominio del tempo THz in acqua liquida senza pompa ottica (linea nera) e sotto il massimo assorbimento causato dal plasma formato (linea rossa). (c) Curva di evoluzione transitoria dell'assorbimento delle onde THz da parte del plasma in acqua con l'energia della pompa di 90 μJ/impulso. (d) I punti neri indicano la densità di elettroni quasi liberi di picco con diverse energie di impulso di pompa. I punti arancioni mostrano la relazione tra il rapporto di solvatazione e l'energia dell'impulso della pompa allo stato di equilibrio. Credito:Tan et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.015002
Utilizzando il modello Drude combinato con il modello intermedio multilivello e il modello particella-in-a-box, i ricercatori hanno simulato e analizzato gli elettroni quasi liberi per ottenere informazioni chiave come le caratteristiche di assorbimento nel dominio della frequenza e il rapporto di solvatazione. Sorprendentemente, all'aumentare della densità elettronica quasi libera, le trappole relative agli stati legati sembravano saturarsi, risultando in un gran numero di elettroni quasi liberi che non possono essere completamente solvati. Secondo Zhang, "Questo lavoro fornisce approfondimenti sugli aspetti fondamentali del processo di trasporto di carica nell'acqua e getta le basi per un'ulteriore comprensione delle proprietà fisico-chimiche e dell'evoluzione transitoria del plasma eccitato da impulsi laser a femtosecondi in acqua".
