Stærke felter og ultrahurtige bevægelser - hvordan man genererer og styrer elektroner i flydende vand

Vandmolekyler gennemgår ultrahurtige vibrerende bevægelser ved stuetemperatur og genererer ekstremt stærke elektriske felter i deres miljø. Nye eksperimenter viser, hvordan frie elektroner i nærvær af sådanne felter genereres og manipuleres i væsken ved hjælp af et eksternt terahertz-felt.

Vandmolekylet H ₂ O viser et elektrisk dipolmoment på grund af de forskellige elektrontætheder på oxygen- (O) og brint (H) atomerne. Sådanne molekylære dipoler genererer et elektrisk felt i flydende vand. Styrken af ​​dette felt svinger på en femtosekunds tidsskala og, i korte perioder, når spidsværdier på op til 300 MV/cm (300 millioner volt pr. cm). På et så højt felt, en elektron kan forlade sin bundne tilstand, en molekylær orbital og tunnel gennem en potentiel energibarriere ind i nabovæsken. Denne hændelse repræsenterer en kvantemekanisk ioniseringsproces. I ligevægt, elektronen vender meget hurtigt tilbage til sin oprindelige tilstand, da det fluktuerende elektriske felt ikke har nogen foretrukken rumlig retning og, dermed, elektronen bevæger sig ikke væk fra ioniseringsstedet. På grund af den meget effektive ladningsrekombination, antallet af ubundne (frie) elektroner forbliver ekstremt lille, i gennemsnit mindre end en milliardtedel af antallet af vandmolekyler.

Forskere fra Max-Born-Institute i Berlin har nu vist, at et eksternt elektrisk felt med frekvenser i området 1 terahertz øger antallet af frie elektroner med op til faktor 1000. THz-feltet har en maksimal styrke på 2 MV/ cm, det er mindre end 1 % af styrken af ​​det fluktuerende felt i væsken. Imidlertid, THz-feltet har en foretrukken rumlig retning. Langs denne retning, elektroner genereret af det fluktuerende felt bliver accelereret og når en kinetisk energi på ca. 11 eV, ioniseringspotentialet af et vandmolekyle. Denne transportproces undertrykker ladningsrekombination på ioniseringsstedet. Elektronerne rejser over en afstand på mange nanometer, før de lokaliserer sig et andet sted i væsken. Sidstnævnte proces forårsager stærke ændringer af væskens absorption og brydningsindeks, hvorved elektronernes dynamiske opførsel kan følges med metoden med todimensionel THz-spektroskopi.

Disse overraskende resultater afslører et nyt aspekt af ekstremt stærke elektriske felter i flydende vand, forekomsten af ​​spontane hændelser med tunnelionisering. Sådanne begivenheder kunne spille en vigtig rolle i selvdissociationen af ​​H ₂ O-molekyler til OH- og H ₃ O ⁺ ioner. I øvrigt, eksperimenterne etablerer en ny metode til generationen, transportere, og lokalisering af ladninger i væsker ved hjælp af stærke THz -felter. Dette giver mulighed for at manipulere væskers grundlæggende elektriske egenskaber.