THz -spektroskopi sonderar fotoexciterad plasma i vatten. Upphovsman:Tan et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.015002
Fotojonisering av vatten innebär migration och lösning av elektroner, med många övergående och mycket aktiva mellanprodukter. Processen resulterar i ett stort blått skift i absorptionsspektrumet, från THz- eller gigahertz -regionen till det synliga området. Medan beteendet hos kvasifria elektroner med låg densitet har exciterats av liten pumpeffektdensitet har undersökts omfattande, vi vet fortfarande lite om den övergående utvecklingen av fotoexciterad plasma i flytande vatten. Värdefulla insikter gavs nyligen av ett internationellt forskargrupp i en studie publicerad i Avancerad fotonik .
Enligt Liangliang Zhang, fysikprofessor vid Capital Normal University i Peking och en av de höga författarna till studien, den fysiska mekanismen för plasmautveckling på den ultrasnabba subpikosekundskalan i flytande vatten betraktas som en förlängning av teorin om gasplasma. Men laserinducerad plasma i flytande vatten åtföljs av mer komplexa och starkare olinjära effekter än de i gas, eftersom vatten har en högre olinjär koefficient, en lägre excitationströskel, och en högre elektrontäthet. Dessa skillnader lovar möjligheten att låsa upp ny teknik och applikationer, uppmuntra forskare att utforska den potentiella fysiska mekanismen för fotoexciterad plasma i flytande vatten.
Elektroner i vattenlösningsmedel?
Zhangs team inducerade plasma i en stabil fritt flödande vattenfilm med 1650 nm femtosekundlaserpulser. De fokuserade dessa intensiva terahertz (THz) pulser för att i sub-picosekundskalan undersöka den tidsmässiga utvecklingen av kvasifria elektroner av laserinducerad plasma i vatten. THz-vågabsorption med en unik tvåstegsförfallskarakteristik i tidsdomänens signatur demonstrerades, indikerar betydelsen av elektronlösning i vatten.
(a) Diagram över det experimentella systemet. (b) THz tidsdomänvågformer i flytande vatten utan optisk pump (svart linje) och under den maximala absorption som orsakas av den bildade plasma (röd linje). (c) Övergående utvecklingskurva för THz -vågabsorption av plasma i vatten med pumpenergin på 90 μJ/puls. (d) Svarta punkter indikerar toppkvasifri elektrontäthet med olika pumppulsenergier. De orangefärgade punkterna visar sambandet mellan solvationsförhållandet och pumppulsenergin vid jämviktstillståndet. Upphovsman:Tan et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.015002
Med hjälp av Drude-modellen i kombination med den mellanliggande mellanliggande modellen och partikel-i-en-box-modellen, forskarna simulerade och analyserade de kvasifria elektronerna för att få nyckelinformation, såsom frekvensdomänabsorptionsegenskaper och solvationsförhållande. Anmärkningsvärt, när den kvasifria elektrontätheten ökade, fällorna relaterade till de bundna tillstånden tycktes mättas, vilket resulterar i ett stort antal kvasifria elektroner som inte kan lösas helt. Enligt Zhang, "Detta arbete ger insikter om de grundläggande aspekterna av laddningstransportprocessen i vatten och lägger en grund för ytterligare förståelse av de fysikalisk-kemiska egenskaperna och den övergående utvecklingen av femtosekund-laser-puls-exciterad plasma i vatten."
