Le placement ultra-rapide d'un électron dans un liquide polaire génère des vibrations moléculaires collectives dans un nano-volume sphérique. Les vibrations modifient périodiquement le diamètre de cette sphère pendant plus de 100 picosecondes.
De nouveaux résultats de la spectroscopie ultra-rapide révèlent comment de telles oscillations dans le sens radial se distinguent des excitations transversales et comment les deux régissent le comportement électrique du liquide. Le réglage de la concentration d'électrons générés permet d'adapter les propriétés électriques de différents liquides. Les résultats sont publiés dans la revue Recherche d'examen physique.
Les liquides polaires tels que l'eau et les alcools sont constitués de molécules avec un moment dipolaire électrique. Via leurs dipôles, les molécules exercent des forces électriques les unes sur les autres, par lesquelles des mouvements collectifs couplés de grands groupes de molécules sont rendus possibles.
Les mouvements collectifs ont un impact direct sur les propriétés électriques du liquide, par exemple, l'absorption des micro-ondes, mais ont été explorés à un degré limité uniquement et ne sont pas compris au niveau moléculaire.
L'ionisation des molécules dans un liquide par une impulsion lumineuse fémtoseconde génère des électrons, qui sont transférés à un état fondamental localisé dans plusieurs centaines de fémtosecondes. L'électron localisé est intégré dans un nuage moléculaire de dimension nanométrique, qui englobe des milliers de molécules.
Au début du processus de localisation, les vibrations cohérentes collectives du nuage moléculaire, soi-disant polarons, sont excitées, qui se manifestent dans une modulation périodique de l'absorption optique dans la gamme de fréquences térahertz (1 thz = 1012 Hz = 1012 vibrations par seconde). La fréquence d'oscillation est déterminée par la concentration d'électrons dans le liquide.
Les nouveaux résultats de l'Institut Max Born, Berlin, Allemagne, démontrent que les oscillations de polaron sont liées à la radiale, c'est-à-dire des mouvements longitudinaux des molécules dans le nuage et que de telles oscillations sont découplées de l'environnement au-delà du nuage.
Le diamètre du nuage est déterminé par la longueur de dépistage du champ électrique de l'électron central, une longueur de quelques nanomètres sur lesquels ce champ est présent dans le liquide.
Les expériences dans lesquelles des électrons ont été générés par deux impulsions légères séparées dans le temps, révèlent une fréquence de polaron déterminée par la concentration d'électrons partielle créée par chaque impulsion d'excitation individuellement. Après la deuxième excitation, la fréquence du polaron reste inchangée, bien que la concentration totale d'électrons ait doublé.
Cette observation surprenante démontre un couplage mutuel mineur de différents nuages moléculaires vibrants et un découplage efficace de leur environnement.
En revanche, les excitations transversales se produisant après la production d'électrons sont additives sur une échelle de longueur macroscopique. La variation liée à l'absorption de THz connexe est déterminée par la concentration totale d'électrons dans le liquide.
Une deuxième étude réalisée en collaboration avec des chercheurs aux États-Unis et au Royaume-Uni et publié dans Examen physique A montre comment rendre les propriétés électriques de différents liquides presque identiques.
Le contrôle de la concentration d'électrons dans différents alcools entraîne des fréquences identiques et des formes de ligne de la résonance du polaron. Cette approche « imposteur entraîné » permet de truquer les propriétés d'un système en manipulant une autre, un concept avec un potentiel d'applications en optoélectronique et en traitement de l'information.
