As moléculas de água passam por movimentos oscilantes ultrarrápidos em temperatura ambiente e geram campos elétricos extremamente fortes em seu ambiente. Novos experimentos demonstram como, na presença de tais campos, elétrons livres são gerados e manipulados no líquido com a ajuda de um campo terahertz externo.

A molécula de água H ₂ O exibe um momento de dipolo elétrico devido às diferentes densidades de elétrons nos átomos de oxigênio (O) e hidrogênio (H). Esses dipolos moleculares geram um campo elétrico na água líquida. A força deste campo flutua em uma escala de tempo de femtossegundo e, por curtos períodos, atinge valores de pico de até 300 MV / cm (300 milhões de volts por cm). Em um campo tão alto, um elétron pode deixar seu estado ligado, um orbital molecular e um túnel através de uma barreira de energia potencial para o líquido vizinho. Este evento representa um processo de ionização mecânica quântica. Em equilibrio, o elétron retorna muito rapidamente ao seu estado inicial, uma vez que o campo elétrico flutuante não tem direção espacial preferencial e, portanto, o elétron não se afasta do local de ionização. Por causa da recombinação de carga altamente eficiente, o número de elétrons não ligados (livres) permanece extremamente pequeno, em média, menos de um bilionésimo do número de moléculas de água.

Pesquisadores do Max-Born-Institute em Berlim mostraram agora que um campo elétrico externo com frequências na faixa de 1 terahertz aumenta o número de elétrons livres em até um fator de 1000. O campo THz tem uma força máxima de 2 MV / cm, isso é menos de 1% da força do campo flutuante no líquido. Contudo, o campo THz tem uma direção espacial preferencial. Ao longo desta direção, elétrons gerados pelo campo flutuante estão sendo acelerados e atingem uma energia cinética de aproximadamente 11 eV, o potencial de ionização de uma molécula de água. Este processo de transporte suprime a recombinação de carga no local de ionização. Os elétrons viajam por uma distância de muitos nanômetros antes de se localizar em um local diferente no líquido. O último processo causa fortes mudanças na absorção e no índice de refração do líquido, pelo qual o comportamento dinâmico dos elétrons pode ser seguido com o método da espectroscopia THz bidimensional.

Esses resultados surpreendentes revelam um novo aspecto de campos elétricos extremamente fortes em água líquida, a ocorrência de eventos espontâneos de ionização por tunelamento. Tais eventos podem desempenhar um papel importante na autodissociação de H ₂ Moléculas O em OH- e H ₃ O ⁺ íons. Além disso, os experimentos estabelecem um novo método para a geração, transporte, e localização de cargas em líquidos com a ajuda de fortes campos THz. Isso permite a manipulação das propriedades elétricas básicas dos líquidos.