Un polaron oscillant dans l'eau liquide :(a) Réseau schématique de molécules d'eau à liaison hydrogène d'eau pure (rouge :atomes d'oxygène, vert :atomes d'hydrogène). (b) Electron solvaté dans l'eau (nuage jaune-rouge). L'électron attire les atomes d'hydrogène des molécules d'eau, polarisant ainsi son environnement de molécules d'eau et générant un piège potentiel auto-cohérent pour l'électron. L'électron ainsi solvaté représente un système quantique élémentaire (c) Une excitation élémentaire possible est un mouvement combiné de l'électron et de la couche d'eau, un soi-disant polaron. Le polaron peut être relié à une oscillation de la taille du système quantique (panneaux (b) et (c)), changer la force de la polarisation électrique globale provenant des molécules d'eau. (d) La polarisation électrique oscillante émet un champ électrique E_osc(τ) qui est tracé en fonction du temps et représente la quantité observée expérimentalement. Crédit :MBI
L'ionisation des molécules d'eau par la lumière génère des électrons libres dans l'eau liquide. Après la génération, l'électron dit solvaté est formé, un électron localisé entouré d'une couche de molécules d'eau. Dans le processus de localisation ultrarapide, l'électron et sa couche d'eau présentent de fortes oscillations, donnant lieu à une émission térahertz pendant des dizaines de picosecondes.
L'ionisation des atomes et des molécules par la lumière est un processus physique de base générant un électron libre chargé négativement et un ion parent chargé positivement. Si l'on ionise l'eau liquide, l'électron libre subit une séquence de processus ultrarapides par lesquels il perd de l'énergie et finit par se localiser à un nouveau site dans le liquide, entouré d'une coquille d'eau [Fig. 1]. Le processus de localisation comprend une réorientation des molécules d'eau sur le nouveau site, un processus dit de solvatation, afin de minimiser l'énergie d'interaction électrique entre les moments dipolaires de l'électron et de l'eau. L'électron localisé obéit aux lois de la mécanique quantique et affiche des niveaux d'énergie discrets. La localisation des électrons se produit dans la plage de temps subpicoseconde (1 ps =10 -12 s) et est suivie d'une dissipation de l'excès d'énergie dans le liquide.
Les chercheurs du Max-Born-Institute ont maintenant observé un rayonnement dans la gamme térahertz (1 THz =10 12 Hz) qui est initié pendant le processus de localisation des électrons. Comme ils le signalent dans le récent numéro de Lettres d'examen physique , Vol. 126, 097401 (2021), l'émission THz peut persister jusqu'à 40 ps, c'est à dire., beaucoup plus longtemps que le processus de localisation lui-même. Il affiche une fréquence comprise entre 0,2 et 1,5 THz, en fonction de la concentration d'électrons dans le liquide.
Les ondes THz émises proviennent des oscillations des électrons solvatés et de leurs couches d'eau. La fréquence d'oscillation est déterminée par le champ électrique local que l'environnement liquide exerce sur ce système quantique. L'ajout d'électrons hydratés au liquide modifie le champ local et, Donc, induit un changement de fréquence d'oscillation avec la concentration électronique. Le plus surprenant est l'amortissement comparativement faible des oscillations qui indique une faible interaction avec l'environnement plus large fluctuant dans le liquide et un caractère longitudinal des mouvements sous-jacents des électrons et de l'eau.
Les nouveaux résultats expérimentaux sont expliqués par un modèle théorique basé sur une image de polaron comme expliqué sur la figure 1. Le polaron est une excitation qui inclut des mouvements couplés de l'électron et de la couche d'eau à basse fréquence. En raison de ces oscillations internes de charge, l'électron hydraté rayonne une onde THz. Le faible amortissement de cette onde permet une manipulation de l'émission, par exemple., par interaction de l'électron hydraté avec une séquence d'impulsions lumineuses ultracourtes.
