A espectroscopia THz sondas plasma fotoexcitado em água. Crédito:Tan et al., doi 10.1117 / 1.AP.3.1.015002
A fotoionização da água envolve a migração e solvatação de elétrons, com muitos intermediários transitórios e altamente ativos. O processo resulta em uma grande mudança para o azul no espectro de absorção, da região THz ou gigahertz para a faixa visível. Embora o comportamento de elétrons quase livres de baixa densidade excitados por densidade de potência de bomba pequena tenha sido investigado extensivamente, ainda sabemos pouco sobre a evolução transitória do plasma fotoexcitado em água líquida. Insights valiosos foram recentemente fornecidos por uma equipe de pesquisa internacional em um estudo publicado em Fotônica Avançada .
De acordo com Liangliang Zhang, professor de física da Capital Normal University em Pequim e um dos autores sênior do estudo, o mecanismo físico de evolução do plasma na escala ultrarrápida de sub-picossegundos em água líquida é considerado uma extensão da teoria do plasma gasoso. Mas o plasma induzido por laser em água líquida é acompanhado por efeitos não lineares mais complexos e mais fortes do que aqueles em gás, uma vez que a água tem um coeficiente não linear maior, um limite de excitação mais baixo, e uma densidade de elétrons mais alta. Essas diferenças prometem a possibilidade de desbloquear novas tecnologias e aplicativos, encorajando os pesquisadores a explorar o potencial mecanismo físico do plasma fotoexcitado em água líquida.
Elétrons do solvente da água?
A equipe de Zhang induziu plasma em um filme estável de água de fluxo livre usando pulsos de laser de femtossegundos de 1650 nm. Eles focalizaram esses intensos pulsos de terahertz (THz) para sondar na escala subpicosegundo a evolução temporal de elétrons quase livres de plasma induzido por laser na água. A absorção da onda THz com uma característica única de decaimento de duas etapas na assinatura do domínio do tempo foi demonstrada, indicando a importância da solvatação de elétrons na água.
(a) Diagrama do sistema experimental. (b) formas de onda no domínio do tempo THz em água líquida sem bomba óptica (linha preta) e sob a absorção máxima causada pelo plasma formado (linha vermelha). (c) Curva de evolução transitória da absorção da onda THz pelo plasma em água com a energia da bomba de 90 μJ / pulso. (d) Os pontos pretos indicam a densidade máxima de elétrons quase-livres com diferentes energias de pulso de bomba. Os pontos laranja mostram a relação entre a razão de solvatação e a energia do pulso da bomba no estado de equilíbrio. Crédito:Tan et al., doi 10.1117 / 1.AP.3.1.015002
Usando o modelo Drude combinado com o modelo intermediário multinível e o modelo particle-in-a-box, os pesquisadores simularam e analisaram os elétrons quase-livres para obter informações importantes, como as características de absorção no domínio da frequência e a razão de solvatação. Notavelmente, à medida que a densidade de elétrons quase-livre aumentou, as armadilhas relacionadas aos estados limitados pareciam saturar, resultando em um grande número de elétrons quase-livres que não podem ser completamente solvatados. De acordo com Zhang, "Este trabalho fornece insights sobre os aspectos fundamentais do processo de transporte de carga na água e estabelece uma base para uma maior compreensão das propriedades físico-químicas e da evolução transitória do plasma excitado por pulso de laser de femtossegundo na água."
