04.03.2021

Terahertz-Wellen aus ionisiertem Wasser

Strahlung entsteht während des Lokalisierungsvorgangs der freigesetzten Elektronen.

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. Die räumliche Lokali­sierung, Solvatations­prozess genannt, 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, gefolgt von etwas langsameren Prozessen der Energie­umver­teilung in der Flüssig­keit.

Abb.: Graphische Dar­stel­lung eines oszil­lie­renden Polarons in...
Abb.: Graphische Dar­stel­lung eines oszil­lie­renden Polarons in flüssi­gem Wasser. (Bild: M. Woerner, MBI)

Forscher des Max-Born-Instituts haben jetzt erstmals Infrarot­strahlung im Terahertz­bereich beobachtet, die während des Lokali­sierungs­vorgangs der Elektronen ausgelöst wird. Die Emission kann bis zu vierzig Piko­sekunden andauern, also sehr viel länger als der eigent­liche Lokali­sations­prozess. Die Frequenz der Strahlung hängt von der Elektronen­konzentration in der Flüssigkeit ab.

Die ausgesandten Terahertz-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 fluktu­ierende 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 von Polaronen beruht. Das Polaron ist eine elementare Anregung, die in gekoppelten Bewegungen eines Elektrons und der Wasser­hülle besteht. Diese Bewegungen gekoppelter Ladungen besitzen Frequenzen im Terahertz-Bereich und führen zur Abstrahlung von Terahertz-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.

MBI / RK

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