Les molécules d'eau subissent des mouvements de tramage ultrarapides à température ambiante et génèrent des champs électriques extrêmement puissants dans leur environnement. De nouvelles expériences démontrent comment, en présence de tels champs, des électrons libres sont générés et manipulés dans le liquide à l'aide d'un champ térahertz externe.

La molécule d'eau H 2 O présente un moment dipolaire électrique dû aux différentes densités d'électrons sur les atomes d'oxygène (O) et d'hydrogène (H). De tels dipôles moléculaires génèrent un champ électrique dans l'eau liquide. La force de ce champ fluctue sur une échelle de temps femtoseconde et, pendant de courtes périodes, atteint des valeurs de crête allant jusqu'à 300 MV/cm (300 millions de volts par cm). Dans un champ si élevé, un électron peut quitter son état lié, une orbitale moléculaire et un tunnel à travers une barrière d'énergie potentielle dans le liquide voisin. Cet événement représente un processus d'ionisation mécanique quantique. En équilibre, l'électron revient très rapidement à son état initial puisque le champ électrique fluctuant n'a pas de direction spatiale préférentielle et, Donc, l'électron ne s'éloigne pas du site d'ionisation. En raison de la recombinaison de charge très efficace, le nombre d'électrons non liés (libres) reste extrêmement faible, en moyenne moins d'un milliardième du nombre de molécules d'eau.

Des chercheurs du Max-Born-Institute de Berlin ont maintenant montré qu'un champ électrique externe avec des fréquences de l'ordre de 1 térahertz augmente le nombre d'électrons libres jusqu'à un facteur de 1000. Le champ THz a une force maximale de 2 MV/ cm, c'est moins de 1% de la force du champ fluctuant dans le liquide. Cependant, le champ THz a une direction spatiale préférentielle. Dans cette direction, les électrons générés par le champ fluctuant sont accélérés et atteignent une énergie cinétique d'environ 11 eV, le potentiel d'ionisation d'une molécule d'eau. Ce processus de transport supprime la recombinaison de charge au site d'ionisation. Les électrons se déplacent sur une distance de plusieurs nanomètres avant de se localiser à un site différent dans le liquide. Ce dernier processus provoque de forts changements de l'absorption et de l'indice de réfraction du liquide par lesquels le comportement dynamique des électrons peut être suivi avec la méthode de spectroscopie THz bidimensionnelle.

Ces résultats surprenants révèlent un nouvel aspect des champs électriques extrêmement forts dans l'eau liquide, l'apparition d'événements spontanés d'ionisation tunnel. De tels événements pourraient jouer un rôle important dans l'auto-dissociation de H 2 O molécules en OH— et H 3 O ⁺ ions. De plus, les expériences établissent une nouvelle méthode pour la génération, transport, et localisation des charges dans les liquides à l'aide de champs THz puissants. Cela permet de manipuler les propriétés électriques de base des liquides.