Advertisement

Applied Physics A

, Volume 92, Issue 3, pp 511–516 | Cite as

Ultrafast temperature jump in liquid water studied by a novel infrared pump-x-ray probe technique

  • Ph. Wernet
  • G. Gavrila
  • K. Godehusen
  • C. Weniger
  • E. T. J. Nibbering
  • T. Elsaesser
  • W. Eberhardt
Invited rapid communication

Abstract

We report the first infrared pump-x-ray probe study of the structural dynamics of liquid water. Femtosecond infrared excitation via the O–H stretching band induces an ultrafast temperature jump that gives rise to changes in the hydrogen bond network. Such changes are probed via the transient x-ray absorption at the oxygen K edge using 70 ps x-ray pulses from a storage ring source. We measure spectra and time evolution of the transient x-ray absorption and calibrate the absolute change of temperature. Our work paves the way for future studies with femtosecond x-ray probe pulses.

PACS

61.05.Cj 78.47.Jc 61.25.Em 82.30.Rs 

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1.
    D. Eisenberg, W. Kauzmann, The Structure and Properties of Water (Oxford University Press, New York, 1969) Google Scholar
  2. 2.
    F.H. Stillinger, Science 209, 451 (1980) CrossRefADSGoogle Scholar
  3. 3.
    D. Marx, M.E. Tuckerman, J. Hutter, M. Parrinello, Nature 397, 601 (1999) CrossRefADSGoogle Scholar
  4. 4.
    I. Ohmine, S. Saito, Acc. Chem. Res. 32, 741 (1999) CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser, Chem. Rev. 104, 1887 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    A.J. Lock, H.J. Bakker, J. Chem. Phys. 117, 1708 (2002) CrossRefADSGoogle Scholar
  7. 7.
    M.L. Cowan, B.D. Bruner, N. Huse, J.R. Dwyer, B. Chugh, E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser, R.J.D. Miller, Nature 434, 199 (2005) CrossRefADSGoogle Scholar
  8. 8.
    S. Ashihara, N. Huse, A. Espagne, E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser, J. Phys. Chem. A 111, 743 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Z. Wang, Y. Pang, D.D. Dlott, J. Phys. Chem. A 111, 3196 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    C.P. Lawrence, J.L. Skinner, J. Chem. Phys. 118, 264 (2003) CrossRefADSGoogle Scholar
  11. 11.
    D. Laage, J.T. Hynes, Science 311, 832 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  12. 12.
    J.R. Schmidt, S.A. Corcelli, J.L. Skinner, J. Chem. Phys. 123, 044513 (2005) CrossRefADSGoogle Scholar
  13. 13.
    T. Head-Gordon, G. Hura, Chem. Rev. 102, 2651 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    P. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, H. Ogasawara, M. Cavalleri, L.Å. Näslund, T. Hirsch, L. Ojamäe, P. Glatzel, M. Odelius, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Science 304, 995 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  15. 15.
    J.D. Smith, C.D. Cappa, K.R. Wilson, B.M. Messer, R.C. Cohen, R.J. Saykally, Science 306, 851 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  16. 16.
    T. Pfeifer, C. Spielmann, G. Gerber, Rep. Prog. Phys. 69, 443 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  17. 17.
    C. Stamm, T. Kachel, N. Pontius, R. Mitzner, T. Quast, K. Holldack, S. Khan, C. Lupulsecu, E.F. Aziz, M. Wietstruk, H.A. Dürr, W. Eberhardt, Nat. Mater. 6, 740 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  18. 18.
    A. Cavalleri, M. Rini, H.H.W. Chong, S. Fourmaux, T.E. Glover, P.A. Heimann, J.C. Kieffer, R.W. Schoenlein, Phys. Rev. Lett. 95, 067405 (2005) CrossRefADSGoogle Scholar
  19. 19.
    S.L. Johnson, P.A. Heimann, A.M. Lindenberg, H.O. Jeschke, M.E. Garcia, Z. Chang, R.W. Lee, J.J. Rehr, R.W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 91, 157403 (2003) CrossRefADSGoogle Scholar
  20. 20.
    A. Lindenberg et al., Science 308, 392 (2005) CrossRefADSGoogle Scholar
  21. 21.
    C.V. Korff Schmising, M. Bargheer, M. Kiel, N. Zhavoronkov, M. Woerner, T. Elsaesser, I. Vrejoiu, D. Hesse, M. Alexe, Phys. Rev. Lett. 98, 257601 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  22. 22.
    W. Gawelda, M. Johnson, F.M.F. de Groot, R. Abela, C. Bressler, M. Chergui, J. Am. Chem. Soc. 128, 5001 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    C. Bressler, M. Chergui, Chem. Rev. 104, 1781 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    L.X. Chen, W.J.H. Jager, G. Jennings, D.J. Gosztola, A. Munkholm, J.P. Hessler, Science 292, 262 (2001) CrossRefADSGoogle Scholar
  25. 25.
    L.-Å. Näslund, J. Lüning, Y. Ufuktepe, H. Ogasawara, P. Wernet, U. Bergmann, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, J. Phys. Chem. B 109, 13835 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    C.D. Cappa, J.D. Smith, K.R. Wilson, R.J. Saykally, J. Phys.: Condens. Matter 20, 205105 (2008) CrossRefADSGoogle Scholar
  27. 27.
    M. Odelius, M. Cavalleri, A. Nilsson, L.G.M. Pettersson, Phys. Rev. B 73, 024205 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  28. 28.
    D. Prendergast, G. Galli, Phys. Rev. Lett. 96, 215502 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  29. 29.
    D. Nordlund, H. Ogasawara, P. Wernet, M. Nyberg, M. Odelius, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Chem. Phys. Lett. 395, 161 (2004) CrossRefADSGoogle Scholar
  30. 30.
    M. Cavalleri, H. Ogasawara, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Chem. Phys. Lett. 364, 363 (2002) CrossRefADSGoogle Scholar
  31. 31.
    H. Bluhm, D.F. Ogletree, C.S. Fadley, Z. Hussain, M. Salmeron, J. Phys.: Condens. Matter 14, L227 (2002) CrossRefADSGoogle Scholar
  32. 32.
    S. Myneni et al., J. Phys.: Condens. Matter 14, L213 (2002) CrossRefADSGoogle Scholar
  33. 33.
    B. Winter, E.F. Aziz, U. Hergenhahn, M. Faubel, I.V. Hertel, J. Chem. Phys. 126, 124504 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  34. 34.
    T. Head-Gordon, S.W. Rick, Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 83 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  35. 35.
    M.V. Fernandez-Serra, E. Artacho, Phys. Rev. Lett. 96, 016404 (2006) CrossRefADSGoogle Scholar
  36. 36.
    A. Nilsson, Ph. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L.-Å. Näslund, T.K. Hirsch, L. Ojamäe, P. Glatzel, L.G.M. Pettersson, Science 308, 793 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  37. 37.
    J.D. Smith, C.D. Cappa, B.M. Messer, R.C. Cohen, R.J. Saykally, Science 308, 793 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    U. Bergmann, D. Nordlund, Ph. Wernet, M. Odelius, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Phys. Rev. B 76, 024202 (2007) CrossRefADSGoogle Scholar
  39. 39.
    U. Bergmann, Ph. Wernet, P. Glatzel, M. Cavalleri, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, S.P. Cramer, Phys. Rev. B 66, 092107 (2002) CrossRefADSGoogle Scholar
  40. 40.
    D.T. Bowron, M.H. Krisch, A.C. Barnes, J.L. Finney, A. Kaprolat, M. Lorenzen, Phys. Rev. B 62, R9223 (2000) CrossRefADSGoogle Scholar
  41. 41.
    X. Zhang, C.P. Grigoropoulos, Rev. Sci. Instrum. 66, 1115 (1995) CrossRefADSGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 2008

Authors and Affiliations

  • Ph. Wernet
    • 1
  • G. Gavrila
    • 1
  • K. Godehusen
    • 1
  • C. Weniger
    • 1
  • E. T. J. Nibbering
    • 2
  • T. Elsaesser
    • 2
  • W. Eberhardt
    • 1
  1. 1.BESSYBerlinGermany
  2. 2.Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und KurzzeitspektroskopieBerlinGermany

Personalised recommendations