Foto-ionisatie van water omvat de migratie en solvatatie van elektronen, met veel voorbijgaande en zeer actieve tussenproducten. Het proces resulteert in een grote blauwverschuiving in het absorptiespectrum, van het THz- of gigahertz-gebied tot het zichtbare bereik. Hoewel het gedrag van quasivrije elektronen met lage dichtheid die worden geëxciteerd door een kleine pompvermogensdichtheid uitgebreid is onderzocht, we weten nog steeds weinig over de voorbijgaande evolutie van foto-geëxciteerd plasma in vloeibaar water. Waardevolle inzichten werden onlangs geleverd door een internationaal onderzoeksteam in een studie gepubliceerd in Geavanceerde fotonica .

Volgens Liangliang Zhang, natuurkundeprofessor aan de Capital Normal University in Beijing en een van de senior auteurs van de studie, het fysische mechanisme van plasma-evolutie op de ultrasnelle sub-picoseconde schaal in vloeibaar water wordt beschouwd als een uitbreiding van de theorie van gasplasma. Maar laser-geïnduceerd plasma in vloeibaar water gaat gepaard met complexere en sterkere niet-lineaire effecten dan die in gas, omdat water een hogere niet-lineaire coëfficiënt heeft, een lagere excitatiedrempel, en een hogere elektronendichtheid. Deze verschillen beloven de mogelijkheid om nieuwe technologieën en toepassingen te ontsluiten, onderzoekers aanmoedigen om het potentiële fysieke mechanisme van foto-aangeslagen plasma in vloeibaar water te onderzoeken.

Water oplosmiddel elektronen?

Het team van Zhang induceerde plasma in een stabiele vrij stromende waterfilm met behulp van 1650 nm femtoseconde laserpulsen. Ze concentreerden deze intense terahertz (THz) -pulsen om op de sub-picoseconde schaal de temporele evolutie van quasivrije elektronen van laser-geïnduceerd plasma in water te onderzoeken. THz-golfabsorptie met een unieke tweestapsvervalkarakteristiek in de tijdsdomeinsignatuur werd aangetoond, met vermelding van de betekenis van elektronensolvatatie in water.

Door gebruik te maken van het Drude-model in combinatie met het multilevel intermediaire model en het particle-in-a-box-model, de onderzoekers simuleerden en analyseerden de quasivrije elektronen om belangrijke informatie te verkrijgen, zoals de frequentie-domeinabsorptiekarakteristieken en de solvatatieverhouding. Opmerkelijk, naarmate de quasivrije elektronendichtheid toenam, de vallen met betrekking tot de gebonden staten leken te verzadigen, wat resulteert in een groot aantal quasivrije elektronen die niet volledig kunnen worden opgelost. Volgens Zhang, "Dit werk geeft inzicht in de fundamentele aspecten van het ladingstransportproces in water en legt een basis voor verder begrip van de fysisch-chemische eigenschappen en voorbijgaande evolutie van femtoseconde-laser-puls-geëxciteerd plasma in water."