La ionizzazione delle molecole d'acqua da parte della luce genera elettroni liberi nell'acqua liquida. Dopo la generazione, si forma il cosiddetto elettrone solvatato, un elettrone localizzato circondato da un guscio di molecole d'acqua. Nel processo di localizzazione ultraveloce, l'elettrone e il suo guscio d'acqua mostrano forti oscillazioni, dando luogo a emissione di terahertz per decine di picosecondi.

La ionizzazione di atomi e molecole da parte della luce è un processo fisico di base che genera un elettrone libero caricato negativamente e uno ione genitore caricato positivamente. Se si ionizza l'acqua liquida, l'elettrone libero subisce una sequenza di processi ultraveloci mediante i quali perde energia e alla fine si localizza in un nuovo sito nel liquido, circondato da un guscio d'acqua [Fig. 1]. Il processo di localizzazione include un riorientamento delle molecole d'acqua nel nuovo sito, un cosiddetto processo di solvatazione, al fine di minimizzare l'energia di interazione elettrica tra l'elettrone ei momenti di dipolo dell'acqua. L'elettrone localizzato obbedisce alle leggi della meccanica quantistica e mostra livelli di energia discreti. La localizzazione degli elettroni avviene nell'intervallo di tempo del subpicosecondo (1 ps =10 ^-12 s) ed è seguito dalla dissipazione dell'energia in eccesso nel liquido.

I ricercatori del Max-Born-Institute hanno ora osservato radiazioni nell'intervallo dei terahertz (1 THz =10 ¹² Hz) che viene avviato durante il processo di localizzazione degli elettroni. Come riportano nel recente numero di Lettere di revisione fisica , vol. 126, 097401 (2021), l'emissione THz può persistere fino a 40 ps, cioè., molto più lungo del processo di localizzazione stesso. Visualizza una frequenza compresa tra 0,2 e 1,5 THz, a seconda della concentrazione di elettroni nel liquido.

Le onde THz emesse hanno origine dalle oscillazioni degli elettroni solvatati e dei loro gusci d'acqua. La frequenza di oscillazione è determinata dal campo elettrico locale che l'ambiente liquido esercita su questo sistema quantistico. L'aggiunta di elettroni idrati al liquido modifica il campo locale e, così, induce una variazione della frequenza di oscillazione con la concentrazione di elettroni. Più sorprendente è lo smorzamento relativamente debole delle oscillazioni che indica una debole interazione con l'ambiente fluttuante più grande nel liquido e un carattere longitudinale dei movimenti dell'elettrone e dell'acqua sottostanti.

I nuovi risultati sperimentali sono spiegati da un modello teorico basato su un'immagine polaron come spiegato in Fig. 1. Il polaron è un'eccitazione che include movimenti accoppiati dell'elettrone e del guscio d'acqua a bassa frequenza. A causa di tali oscillazioni interne di carica, l'elettrone idrato irradia un'onda THz. Il debole smorzamento di questa onda consente una manipolazione dell'emissione, per esempio., per interazione dell'elettrone idrato con una sequenza di impulsi luminosi ultracorti.