Um polaron oscilante em água líquida:(a) Rede esquemática de moléculas de água ligadas por hidrogênio de água pura (vermelho:átomos de oxigênio, verde:átomos de hidrogênio). (b) Elétron solvatado em água (nuvem amarela-vermelha). O elétron atrai os átomos de hidrogênio das moléculas de água, polarizando assim seu ambiente de moléculas de água e gerando uma armadilha de potencial autoconsistente para o elétron. O elétron solvatado desta forma representa um sistema quântico elementar (c) Uma possível excitação elementar é um movimento combinado do elétron e da camada de água, um assim chamado polaron. O polaron pode ser conectado com uma oscilação do tamanho do sistema quântico (painéis (b) e (c)), mudando a força da polarização elétrica geral originada das moléculas de água. (d) A polarização elétrica oscilante emite um campo elétrico E_osc (τ) que é plotado em função do tempo τ e representa a quantidade observada experimentalmente. Crédito:MBI
A ionização das moléculas de água pela luz gera elétrons livres na água líquida. Após geração, o chamado elétron solvatado é formado, um elétron localizado rodeado por uma camada de moléculas de água. No processo de localização ultrarrápido, o elétron e sua camada de água exibem fortes oscilações, dando origem à emissão de terahertz por dezenas de picossegundos.
A ionização de átomos e moléculas pela luz é um processo físico básico que gera um elétron livre com carga negativa e um íon pai com carga positiva. Se alguém ionizar a água líquida, o elétron livre passa por uma sequência de processos ultrarrápidos pelos quais perde energia e, eventualmente, se localiza em um novo local no líquido, rodeado por uma concha de água [Fig. 1]. O processo de localização inclui uma reorientação das moléculas de água no novo local, um chamado processo de solvatação, a fim de minimizar a energia de interação elétrica entre o elétron e os momentos de dipolo da água. O elétron localizado obedece às leis da mecânica quântica e exibe níveis de energia discretos. A localização de elétrons ocorre no intervalo de tempo de subpicosegundos (1 ps =10 -12 s) e é seguido pela dissipação do excesso de energia no líquido.
Pesquisadores do Instituto Max-Born agora observaram radiação na faixa de terahertz (1 THz =10 12 Hz) que é iniciado durante o processo de localização do elétron. Como eles relatam na recente edição de Cartas de revisão física , Vol. 126, 097401 (2021), a emissão de THz pode persistir por até 40 ps, ou seja, muito mais tempo do que o próprio processo de localização. Ele exibe uma frequência entre 0,2 e 1,5 THz, dependendo da concentração de elétrons no líquido.
As ondas THz emitidas se originam de oscilações dos elétrons solvatados e suas conchas de água. A frequência de oscilação é determinada pelo campo elétrico local que o meio líquido exerce sobre este sistema quântico. Adicionar elétrons hidratados ao líquido muda o campo local e, portanto, induz uma mudança na frequência de oscilação com a concentração de elétrons. O mais surpreendente é o amortecimento comparativamente fraco das oscilações, que aponta para uma interação fraca com o ambiente maior flutuante no líquido e um caráter longitudinal dos movimentos do elétron e da água subjacentes.
Os novos resultados experimentais são explicados por um modelo teórico baseado em uma imagem do polaron, conforme explicado na Fig. 1. O polaron é uma excitação que inclui movimentos acoplados do elétron e da camada de água em baixa frequência. Devido a tais oscilações internas de carga, o elétron hidratado irradia uma onda THz. O fraco amortecimento desta onda permite uma manipulação da emissão, por exemplo., pela interação do elétron hidratado com uma sequência de pulsos de luz ultracurtos.
