Real-Time Mapping of Electric Interactions in Polar Molecular Environments using Terahertz Spectroscopy
Creators: name: Singh, Poonam
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: THz-Stark Spektroskopie
subject: Molekulardynamik
subject: Absorption
subject: Molekularstruktur
subject: THz Stark spectroscopy
subject: Molecular dynamics
subject: Molecular structure
subject: 541 Physikalische Chemie

description: Elektronische, optische und kollektive Vielteilcheneigenschaften molekularer Systeme in polaren Umgebungen werden durch elektrische Wechselwirkungen, die bei Terahertz-Frequenzen (THz) fluktuieren, beeinflusst. Diese Arbeit nutzt die Fortschritte bei Hochfeld-THz-Quellen, um Einblicke in die lokalen Wechselwirkungen und die Dynamik elektrischer Felder auf relevanten Zeitskalen bei Umgebungstemperaturen zu gewinnen. Die Forschung wird von drei miteinander verbundenen Zielen geleitet: (1) Die optische Gleichrichtung mit gekippten Pulsfronten in LiNbO3 erzeugt starke Pikosekunden-THz-Pulse, die bei 0,6 THz zentriert sind und durch eine metallische Antennenstruktur verstärkt werden, um elektrische Spitzenfelder bis zu 3 MV/cm zu erreichen. (2) Wir stellen eine neue Methode der THz-Stark-Spektroskopie vor. Die Experimente basieren auf einem Pump-Probe-Schema, bei dem starke elektrische Felder von THz-Pulsen nicht-resonant mit einem Chromophor wechselwirken und Änderungen der molekularen elektronischen Absorptionsbanden hervorrufen. Die Änderungen werden dann frequenz- und zeitaufgelöst mit optischen Femtosekunden-Pulsen abgebildet. Die Zeitskala der THz-Pulse ist viel kürzer als die molekularen Umorientierungsprozesse, so dass die Experimente die quasi-instante Reaktion molekularer Systeme in einer eingefrorenen Strukturanordnung abbilden. Aus den vollständig reversiblen elektronischen Absorptionsänderungen kann man eine Dipoldifferenz zwischen dem Grund- und dem angeregten Zustand und Einblicke in die lokale elektrische Umgebung gewinnen. (3) Nach Photoanregung freier Elektronen in polaren Flüssigkeiten führt die ultraschnelle Relaxation der Elektronen zu stark unterdämpften kohärenten Ladungsschwingungen mit Frequenzen zwischen 0,1-2 THz. Solche Anregungen stellen longitudinale Polaronen dar, bei denen ein überschüssiges Elektron an Zehntausende von Lösungsmittelmolekülen gekoppelt ist und ein Polaron von Nanometergröße bildet.
description: The behavior of molecular systems in polar environments is influenced by electric interactions fluctuating at terahertz (THz) frequencies, shaping their electronic, optical, and collective many-body properties. This thesis leverages the advancements in high-field THz sources to gain insights into the local electric-field interactions and dynamics at relevant timescales under ambient temperatures. The research is guided by three interconnected objectives: (1) Tilted-pulse-front optical rectification in LiNbO3 generates strong picosecond THz pulses centered at 0.6 THz which are enhanced by a metallic antenna structure to reach peak electric fields up to 3 MV/cm. (2) We introduce a novel method of THz Stark spectroscopy. The experiments are based on a pump-probe scheme, where strong electric fields of THz pulses interact non-resonantly with a chromophore and induce changes of molecular electronic absorption bands. The changes are then mapped in a frequency- and time-resolved manner using femtosecond optical probe pulses. The time-scale of the THz pulses is much shorter than the molecular reorientation processes, thus, the experiments map the quasi-instantaneous response of molecular systems in a frozen structural arrangement. From the fully reversible electronic absorption changes, one can obtain a dipole difference between the ground and the excited state, and insights into the local electric environment. (3) Following photoexcitation of free electron in polar liquids, the ultrafast relaxation of electrons leads to highly underdamped coherent charge oscillations at frequencies between 0.1-2 THz. Such excitations represent longitudinal polarons, where an excess electron is coupled to tens of thousands of solvent molecules forming a polaron of nanometer dimensions.