Учёные раскрыли механизм коллективных колебаний молекул в полярных жидкостях

(a) Локализованный электрон в полярной жидкости. Схема показывает плотность вероятности локализованного электрона (контур) в окружении молекул растворителя с электрическим дипольным моментом. (b) Продольное возбуждение сферического молекулярного облака вокруг локализованного электрона. Смещения молекул в радиальном направлении изменяют нанометровый диаметр молекулярного облака. (c) Схема поперечного возбуждения жидкости на макроскопической длине, значительно превышающей диаметр молекулярного облака. Автор: MBI: T. Elsaesser / M. Woerner

Сверхбыстрое внедрение электрона в полярную жидкость генерирует коллективные молекулярные колебания в нанообъёме сферической формы. Эти колебания периодически изменяют диаметр сферы в течение более чем 100 пикосекунд.

Новые результаты сверхбыстрой спектроскопии показывают, как такие радиальные колебания отличаются от поперечных возбуждений и как оба типа влияют на электрические свойства жидкости. Регулировка концентрации генерируемых электронов позволяет адаптировать электрические характеристики различных жидкостей. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research.

Полярные жидкости, такие как вода и спирты, состоят из молекул с электрическим дипольным моментом. Через свои диполи молекулы оказывают электрическое воздействие друг на друга, что делает возможными связанные коллективные движения больших групп молекул.

Коллективные движения напрямую влияют на электрические свойства жидкости, например, на поглощение микроволн, однако до сих пор изучены лишь ограниченно и не до конца поняты на молекулярном уровне.

Ионизация молекул в жидкости фемтосекундным световым импульсом генерирует электроны, которые переходят в локализованное основное состояние в течение нескольких сотен фемтосекунд. Локализованный электрон оказывается в молекулярном облаке нанометрового размера, содержащем тысячи молекул.

Экспериментальные результаты. Автор: MBI: T. Elsaesser / M. Woerner

Частотные спектры колебаний поляронов. Автор: MBI: T. Elsaesser / M. Woerner

Новые данные Института Макса Борна в Берлине (Германия) демонстрируют, что колебания поляронов связаны с радиальными (продольными) движениями молекул в облаке и что такие колебания не зависят от внешней среды за пределами облака.

Диаметр облака определяется длиной экранирования электрического поля от центрального электрона — расстоянием в несколько нанометров, на котором это поле присутствует в жидкости.

Эксперименты, в которых электроны генерировались двумя световыми импульсами с временным интервалом, показали, что частота поляронов определяется частичной концентрацией электронов, создаваемой каждым импульсом в отдельности. После второго возбуждения частота поляронов остаётся неизменной, несмотря на удвоение общей концентрации электронов.

Это удивительное наблюдение демонстрирует слабую взаимную связь между различными колеблющимися молекулярными облаками и их эффективную изоляцию от окружающей среды.

В отличие от этого, поперечные возбуждения, возникающие после генерации электронов, складываются на макроскопической длине. Связанное с этим ступенчатое изменение поглощения терагерцового излучения определяется общей концентрацией электронов в жидкости.

Второе исследование, проведённое в сотрудничестве с учёными из США и Великобритании и опубликованное в Physical Review A, показывает, как сделать электрические свойства различных жидкостей почти идентичными.

Контроль концентрации электронов в разных спиртах приводит к одинаковым частотам и формам линий резонанса поляронов. Этот метод «управляемого подражания» позволяет имитировать свойства одной системы, манипулируя другой, что открывает перспективы для применения в оптоэлектронике и обработке информации.

Дополнительная информация: Matthias Runge et al, Ultrafast longitudinal and transverse dielectric response of collective polar modes in liquids, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/45x5-vztx
Gerard McCaul et al, Tuning the terahertz response of liquids by creating polar many-body excitations, Physical Review A (2025). DOI: 10.1103/qbqx-zcsx

Источник: Институт нелинейной оптики и спектроскопии коротких импульсов Макса Борна