(a) Ögonblicksbild av arrangemanget av vattenmolekyler i vätskan (röd:syreatomer, grå; väteatomer). De streckade linjerna anger vätebindningar mellan molekylerna. Varje vattenmolekyl har ett elektriskt dipolmoment d som genererar ett elektriskt fält i sin omgivning. Det molekylära arrangemanget fluktuerar i femtosekundens tidsdomän. (b) Fluktuerande elektriskt fält för vätskan. Den blå linjen visar det momentana elektriska fältet som verkar på molekylbanan 3a1 (infälld) som en funktion av tiden (i femtosekunder). De starkaste topparna inducerar processen med tunneljonisering genom vilken en elektron kan lämna orbitalet. Upphovsman:MBI
Vattenmolekyler genomgår extremt snabba rörelser vid rumstemperatur och genererar extremt starka elektriska fält i sin miljö. Nya experiment visar hur fria elektroner i närvaro av sådana fält genereras och manipuleras i vätskan med hjälp av ett externt terahertz -fält.
Vattenmolekylen H 2 O visar ett elektriskt dipolmoment på grund av de olika elektrontätheten på syre (O) och väte (H) atomer. Sådana molekylära dipoler genererar ett elektriskt fält i flytande vatten. Styrkan i detta fält varierar på en femtosekund tidsskala och, under korta perioder, når toppvärden upp till 300 MV/cm (300 miljoner volt per cm). På ett så högt område, en elektron kan lämna sitt bundna tillstånd, en molekylär orbital och tunnel genom en potentiell energibarriär in i grannvätskan. Denna händelse representerar en kvantmekanisk joniseringsprocess. I jämvikt, elektronen återgår mycket snabbt till sitt ursprungliga tillstånd eftersom det fluktuerande elektriska fältet inte har någon preferensiell rumslig riktning och, Således, elektronen rör sig inte bort från joniseringsstället. På grund av den mycket effektiva laddningsrekombinationen, antalet obundna (fria) elektroner förblir extremt litet, i genomsnitt mindre än en miljarddel av antalet vattenmolekyler.
Forskare från Max-Born-Institute i Berlin har nu visat att ett externt elektriskt fält med frekvenser i intervallet 1 terahertz ökar antalet fria elektroner med upp till faktor 1000. THz-fältet har en maximal styrka på 2 MV/ centimeter, det är mindre än 1% av styrkan hos det fluktuerande fältet i vätskan. Dock, THz -fältet har en preferentiell rumslig riktning. Längs denna riktning, elektroner som genereras av det fluktuerande fältet accelereras och når en kinetisk energi på cirka 11 eV, joniseringspotentialen för en vattenmolekyl. Denna transportprocess undertrycker laddrekombination vid joniseringsstället. Elektronerna färdas över ett avstånd på många nanometer innan de lokaliseras på en annan plats i vätskan. Den senare processen orsakar starka förändringar av absorptionen och brytningsindexet för vätskan genom vilken elektronernas dynamiska beteende kan följas med metoden för tvådimensionell THz-spektroskopi.
Dessa överraskande resultat avslöjar en ny aspekt av extremt starka elektriska fält i flytande vatten, förekomsten av spontana händelser vid tunnling av jonisering. Sådana händelser kan spela en viktig roll i självdissociationen av H 2 O -molekyler till OH— och H 3 O + joner. Dessutom, experimenten etablerar en ny metod för generationen, transport, och lokalisering av laddningar i vätskor med hjälp av starka THz -fält. Detta gör det möjligt att manipulera de grundläggande elektriska egenskaperna hos vätskor.
Tvådimensionell terahertz (2D-THz) spektroskopi. (a) Experimentets schema. Två THz -pulser A (excitation) och B (sond) separerade med fördröjningstiden t interagerar med en tunn vattenstråle (blå, tjocklek 50 | im). Det överförda THz-fältet registreras av en fasupplösande detektor som använder elektrooptisk provtagning (EOS). (b) Tidsberoende elektriskt fält för puls A (grönt) och puls B (orange). Det elektriska fältet för puls B som sänds efter excitation med puls A visas som en streckad linje (fördröjningstid mellan pulserna A och Bt =7000 fs). (c) Brytningsindex för vatten utan THz -excitation (heldragna linjer) och efter generering av elektroner (symboler, elektronkoncentration 5 × 10 -6 mol/liter). Svarta kurvor representerar den verkliga delen av brytningsindexet, röd kurvor den imaginära delen som är proportionell mot vattenstrålens absorptionsstyrka THz. Både verklig och imaginär del av brytningsindex reduceras avsevärt genom generering av elektroner. Upphovsman:MBI
