作者:Forschungsverbund Berlin
V
(FVB) (a)液体中水分子排列的快照(红色:氧原子，灰色；氢原子)
虚线表示分子间的氢键
每个水分子都有一个电偶极矩d，这个电偶极矩在其环境中产生一个电场
分子排列在飞秒时间域波动
液体的波动电场
蓝线表示作用在分子轨道3a1(插图)上的瞬时电场随时间的变化(单位为飞秒)
最强的峰引发隧道电离过程，通过该过程电子可以离开轨道
信用:MBI 水分子在室温下经历超快抖动运动，并在其环境中产生极强的电场
新的实验证明了在这种电场存在的情况下，自由电子是如何在液体中借助外部太赫兹场产生和操纵的
由于氧和氢原子上的电子密度不同，水分子H2O表现出电偶极矩
这种分子偶极子在液态水中产生电场
该场的强度在飞秒时间尺度上波动，在短时间内达到峰值，最高可达300毫伏/厘米(3亿伏/厘米)
在如此高的电场中，一个电子可以离开它的束缚态，一个分子轨道，通过一个势能垒进入邻近的液体
这个事件代表了一个量子力学电离过程
在平衡状态下，电子非常迅速地返回到其初始状态，因为波动的电场没有优先的空间方向，因此，电子不会离开电离位置
由于高效的电荷复合，未结合(自由)电子的数量仍然非常少，平均不到水分子数量的十亿分之一
柏林马克斯·玻恩研究所的研究人员现在已经表明，频率在1太赫兹范围内的外部电场可以将自由电子的数量增加1000倍
太赫兹场的最大强度为2 MV/cm，小于液体中波动场强度的1%
然而，太赫兹场具有优先的空间方向
沿着这个方向，波动场产生的电子被加速，达到大约11电子伏的动能，即水分子的电离势
这个传输过程抑制了电离位点的电荷复合
电子在到达液体中的不同位置之前，会移动数纳米的距离
后一个过程引起液体的吸收和折射率的强烈变化，通过这种变化可以用二维太赫兹光谱的方法跟踪电子的动态行为
这些令人惊讶的结果揭示了液态水中极强电场的一个新的方面，即隧穿电离自发事件的发生
这类事件可能在H2O分子自我解离成氢氧离子和H3O+离子的过程中扮演重要角色
此外，这些实验建立了一种新的方法，在强太赫兹场的帮助下，在液体中产生、传输和定位电荷
这允许操纵液体的基本电特性
二维太赫兹光谱
实验方案
被延迟时间t分开的两个太赫兹脉冲A(激发)和B(探测)与细水射流(蓝色，厚度50 m)相互作用
透射的太赫兹场由利用电光采样的相位分辨探测器记录
脉冲甲(绿色)和脉冲乙(橙色)的时变电场
脉冲A激发后传输的脉冲B的电场用虚线表示(脉冲A和B之间的延迟时间t = 7000 fs)
(c)没有太赫兹激发(实线)和产生电子后的水的折射率(符号，电子浓度5×10-6摩尔/升)
黑色曲线代表折射率的实部，红色曲线代表与水射流的太赫兹吸收强度成比例的虚部
折射率的实部和虚部都因电子的产生而显著降低
信用:MBI
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