Real-time mapping of electric interactions in polar molecular environments using terahertz spectroscopy

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...

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1. Verfasser: Singh, Poonam (VerfasserIn)
Format: Abschlussarbeit Elektronisch E-Book
Sprache:English
Veröffentlicht: Berlin [2024?]
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Dissertation Humboldt-Universität zu Berlin 2024
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 eine Polaron von Nanometergröße bildet.
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