Watermoleculen ondergaan ultrasnelle trillende bewegingen bij kamertemperatuur en genereren extreem sterke elektrische velden in hun omgeving. Nieuwe experimenten laten zien hoe in aanwezigheid van dergelijke velden vrije elektronen worden gegenereerd en gemanipuleerd in de vloeistof met behulp van een extern terahertz-veld.

Het watermolecuul H ₂ O vertoont een elektrisch dipoolmoment vanwege de verschillende elektronendichtheden op de zuurstof (O) en waterstof (H) atomen. Dergelijke moleculaire dipolen wekken een elektrisch veld op in vloeibaar water. De sterkte van dit veld fluctueert op een femtoseconde tijdschaal en, voor korte periodes, bereikt piekwaarden tot 300 MV/cm (300 miljoen volt per cm). Op zo'n hoog veld, een elektron kan zijn gebonden toestand verlaten, een moleculaire orbitaal en tunnel door een potentiële energiebarrière in de naburige vloeistof. Deze gebeurtenis vertegenwoordigt een kwantummechanisch ionisatieproces. In evenwicht, het elektron keert zeer snel terug naar zijn oorspronkelijke toestand omdat het fluctuerende elektrische veld geen preferentiële ruimtelijke richting heeft en, dus, het elektron beweegt niet weg van de ionisatieplaats. Vanwege de zeer efficiënte ladingsrecombinatie, het aantal ongebonden (vrije) elektronen blijft extreem klein, gemiddeld minder dan een miljardste van het aantal watermoleculen.

Onderzoekers van het Max-Born-Instituut in Berlijn hebben nu aangetoond dat een extern elektrisch veld met frequenties in het bereik van 1 terahertz het aantal vrije elektronen met een factor 1000 verhoogt. Het THz-veld heeft een maximale sterkte van 2 MV/ cm, dat is minder dan 1% van de sterkte van het fluctuerende veld in de vloeistof. Echter, het THz-veld heeft een ruimtelijke voorkeursrichting. Langs deze richting, elektronen gegenereerd door het fluctuerende veld worden versneld en bereiken een kinetische energie van ongeveer 11 eV, de ionisatiepotentiaal van een watermolecuul. Dit transportproces onderdrukt ladingsrecombinatie op de ionisatieplaats. De elektronen reizen over een afstand van vele nanometers voordat ze zich op een andere plaats in de vloeistof lokaliseren. Dit laatste proces veroorzaakt sterke veranderingen van de absorptie en de brekingsindex van de vloeistof waarmee het dynamische gedrag van de elektronen kan worden gevolgd met de methode van tweedimensionale THz-spectroscopie.

Deze verrassende resultaten onthullen een nieuw aspect van extreem sterke elektrische velden in vloeibaar water, het optreden van spontane gebeurtenissen van tunnelionisatie. Dergelijke gebeurtenissen kunnen een belangrijke rol spelen bij de zelfdissociatie van H ₂ O moleculen in OH- en H ₃ O ⁺ ionen. Bovendien, de experimenten stellen een nieuwe methode vast voor de generatie, vervoer, en lokalisatie van ladingen in vloeistoffen met behulp van sterke THz-velden. Dit maakt het mogelijk om de elektrische basiseigenschappen van vloeistoffen te manipuleren.