Schwingende Elektronen in Wasser senden Terahertzwellen

Die Ionisation von Wassermolekülen durch Licht erzeugt freie Elektronen in der Flüssigkeit. Nach der Erzeugung bildet sich ein lokalisiertes Elektron, das an einem neuen Ort von einer Hülle räumlich orientierter Wassermoleküle umgeben ist, das sog. solvatisierte Elektron. Während des ultraschnellen Lokalisierungsvorgangs werden starke Schwingungen des Elektrons und der umgebenden Wasserhülle angestoßen, die zur Emission von Terahertzwellen für einige zehn Pikosekunden führen.

Die Ionisation von Atomen und Molekülen durch Licht ist ein elementarer physikalischer Vorgang, bei dem ein negativ geladenes freies Elektron und positiv geladenes Mutterion erzeugt werden. Wenn man flüssiges Wasser ionisiert, durchläuft das freie Elektron eine Abfolge ultraschneller Prozesse durch die es Energie verliert und schließlich in einer neuen Umgebung lokalisiert, umgeben von einer Hülle aus Wassermolekülen (Abb. 1).  Die räumliche Lokalisierung, ein sog. Solvatationsprozess, ist mit einer Reorientierung von Wassermolekülen verbunden um die Energie elektrischer Wechselwirkungen zwischen dem Elektron und den dipolaren Wassermolekülen zu minimieren. Das solvatisierte Elektron unterliegt den Gesetzen der Quantenmechanik und weist diskrete Energiezustände auf. Der Lokalisierungsprozess läuft im Zeitbereich unter einer Pikosekunde ab (1 ps = 10-12 s = ein Millionstel einer Millionstel Sekunde), gefolgt von etwas langsameren Prozessen der Energieumverteilung in der Flüssigkeit.

Abb 1. Graphische Darstellung eines oszillierenden Polarons in flüssigem Wasser. (a) Schema von flüssigem Wasser mit verbrückten Wassermolekülen (rot: Sauerstoffatome, grün: Wasserstoffatome). (b) Solvatisiertes Elektron in Wasser (gelb-rote Wolke). Das Elektron zieht die Wasserstoffatome der Wassermoleküle elektrisch an und polarisiert damit die Umgebung elektrisch. Dies führt zu einer selbstkonsistenten Potentialmulde für das Elektron. Das so solvatisierte Elektron ist ein elementares Quantensystem. (c) Die gemeinsame Bewegung des Elektrons und seiner Wasserhülle, eine sogenannte Polaron-Anregung, kann zu periodischen Änderungen in der Größe des solvatisierten Elektrons führen (Teilbilder (b) und (c)). Damit wird die elektrische Polarisation des Systems periodisch verändert. (d) Die oszillierende elektrische Polarisation emittiert eine elektrische Welle im THz-Bereich. Das abgestrahlte  elektrische Feld Eosc(τ) ist die im Experiment beobachtete Meßgröße und hier als Funktion der Zeit τ gezeigt.

Forscher des Max-Born-Instituts haben jetzt erstmals Infrarotstrahlung im Terahertzbereich beobachtet (1 THz = 1012 Hz = 1012 Schwingungen pro Sekunde), die während des Lokalisierungsvorgangs der Elektronen ausgelöst wird. Wie sie in der neuen Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters, Vol. 126, 097401 (2021) berichten, kann die THz-Emission bis zu 40 ps andauern, d.h. sehr viel länger als der eigentliche Lokalisationsprozess. Die Frequenz der Strahlung liegt zwischen 0.2 und 1.5 THz und hängt von der Elektronenkonzentration in der Flüssigkeit ab.

Die ausgesandten THz-Wellen sind auf Schwingungen der solvatisierten Elektronen und ihrer Wasserhüllen zurückzuführen. Die Schwingungsfrequenz ist durch das lokale elektrische Feld  bestimmt, das die flüssige Umgebung auf das lokalisierte Quantensystem ausübt. Dieses Feld ändert sich wenn man der Flüssigkeit Elektronen hinzufügt, weshalb die Schwingungsfrequenz von der Elektronenkonzentration abhängt. Sehr überraschend ist die geringe Dämpfung der Oszillationen, ein Verhalten das auf eine schwache Kopplung an die flukutierende weitere Wasserumgebung und einen longitudinalen Charakter der Bewegungen von Elektronen und Wassermolekülen hindeutet.

Die neuen experimentellen Ergebnisse werden durch ein theoretisches Modell erklärt das auf dem Konzept sog. Polaronen beruht (Abb. 1). Das Polaron ist eine elementare Anregung die in gekoppelten Bewegungen eines Elektrons und der Wasserhülle besteht. Diese Bewegungen gekoppelter Ladungen besitzen Frequenzen im THz-Bereich und führen zur Abstrahlung von THz-Wellen. Die geringe Dämpfung der Schwingungen wird in zukünftigen Experimenten eine Manipulation der abgestrahlten Wellen ermöglichen, etwa durch Wechselwirkung des solvatisierten Elektrons mit einer Abfolge ultrakurzer Lichtimpulse.

Originalpublikation

Terahertz Polaron Oscillations of Electrons Solvated in Liquid Water

A. Ghalgaoui, B. P. Fingerhut, K. Reimann, T. Elsaesser, M. Woerner

Phys. Rev. Lett. 126, 097401 (2021) (Editor's suggestion)

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