Zehntausend Moleküle im Takt
Experimente am Max-Born-Institut zur Erzeugung und Steuerung kollektiver Schwingungen in einer Flüssigkeit
Ein ultraschnell in eine polare Flüssigkeit eingebrachtes Elektron erzeugt in einem kugelförmigen Nanovolumen kollektive Molekülschwingungen, die für mehr als 100 Pikosekunden die Größe der Kugel periodisch verändern. Neue Ergebnisse der Ultrakurzzeitspektroskopie zeigen, wie sich diese Oszillationen in radialer Richtung von transversalen Anregungen unterscheiden und beide zusammen das elektrische Verhalten der Flüssigkeit beeinflussen. Durch Einstellung der Elektronenkonzentration können elektrische Eigenschaften unterschiedlicher Flüssigkeiten angepasst werden.
Polare Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkohole bestehen aus Molekülen, die ein elektrisches Dipolmoment besitzen. Die Moleküle üben durch ihre Dipole elektrische Kräfte aufeinander aus, wodurch gekoppelte kollektive Bewegungen großer Molekülgruppen ermöglicht werden. Derartige Bewegungen haben starken Einfluss auf elektrische Eigenschaften der Flüssigkeit, etwa die Mikrowellenabsorption, sind bislang aber wenig erforscht und auf molekularer Ebene nicht verstanden.
Ionisiert man mit einem ultrakurzen Lichtimpuls Moleküle in der Flüssigkeit, so gehen die freiwerdenden Elektronen innerhalb einiger Hundert Femtosekunden in einen lokalen Zustand über. Dort sind sie in eine Wolke mit einem Durchmesser von einigen Nanometern eingebettet, die aus Tausenden Molekülen besteht. In der Frühphase des Lokalisationsvorgangs werden kollektive Schwingungen der Molekülwolke, sog. Polaronen angestoßen, die sich optisch als periodische Modulation der Absorption im Terahertz-Frequenzbereich (1 THz = 1012 Hz = 1012 Schwingungen pro Sekunde) nachweisen lassen. Die Polaronfrequenz ist durch die Elektronenkonzentration in der Flüssigkeit bestimmt.
Neue Experimente am Max-Born-Institut, die kürzlich publiziert wurden (Physical Review Research 7, 023304 (2025)), zeigen, dass Polaronen mit radialen, d.h. longitudinalen Bewegungen der Moleküle um das Elektron verbunden sind und von der Umgebung jenseits der schwingenden Molekülwolke entkoppelt sind. Der Durchmesser dieser Wolke ist durch die Abschirmlänge des elektrischen Feldes des Elektrons bestimmt, d.h. eine Länge von einigen Nanometern, über die dieses Feld in der Flüssigkeit wirksam ist.
Experimente, in denen Elektronen durch zwei zeitlich getrennte Lichtimpulse erzeugt wurden, ergaben, dass die Frequenz der Polaronen durch die jeweils einzeln erzeugte Elektronenkonzentration bestimmt ist. Nach dem zweiten Anregungsimpuls bleibt die Polaronfrequenz gleich, obwohl sich die Gesamtkonzentration der Elektronen verdoppelt hat. Dieser überraschende Befund unterstreicht die Abkopplung der einzelnen schwingenden Molekülwolken voneinander und von ihrer weiteren Umgebung. Untersucht man hingegen transversale Anregungen der Flüssigkeit nach der Elektronenerzeugung, so sind diese auf einer makroskopischen Längenskala additiv. Die entsprechende stufenförmige Absorptionsänderung ist durch die Gesamtkonzentration der Elektronen bestimmt.
Eine zweiten Studie, die gemeinsam mit Forschern in den USA und in Großbritannien durchgeführt wurde (Physical Review A 112, L011101 (2025)), zeigt, wie man die elektrischen Eigenschaften unterschiedlicher Flüssigkeiten im Terahertzbereich nahezu identisch machen kann. Die Kontrolle der Elektronenkonzentration in verschiedenen Alkoholen führt zu identischen Frequenzen und nahezu gleichen Linienformen der Polaronresonanz. Man kann also mit dem Verhalten des einen Systems dasjenige eines anderen vortäuschen, ein kontrollierter Betrug (engl. ‚driven imposter‘). Dieses Verfahren könnte für Anwendungen in der Optoelektronik und Informationsverarbeitung ausgenutzt werden.
Publikationen:
Ultrafast longitudinal and transverse dielectric response of collective polar modes in liquids
M. Runge, M. Woerner, T. Elsaesser
Physical Review Research 7, 023304 (2025). URL, DOI oder PDF
Tuning the terahertz response of liquids by creating polar many-body excitations
G. McCaul, M. Runge, M. Woerner, D. Talbayev, T. Elsaesser, D. I. Bondar
Physical Review A 112, L011101 (2025). URL, DOI oder PDF
Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
mbi-berlin.de
Pressemitteilung MBI vom 30.07.2025