Skip to main content
Log in

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

  • Invited rapid communication
  • Published:
Applied Physics A Aims and scope Submit manuscript

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.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

References

  1. D. Eisenberg, W. Kauzmann, The Structure and Properties of Water (Oxford University Press, New York, 1969)

    Google Scholar 

  2. F.H. Stillinger, Science 209, 451 (1980)

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. D. Marx, M.E. Tuckerman, J. Hutter, M. Parrinello, Nature 397, 601 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. I. Ohmine, S. Saito, Acc. Chem. Res. 32, 741 (1999)

    Article  Google Scholar 

  5. E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser, Chem. Rev. 104, 1887 (2004)

    Article  Google Scholar 

  6. A.J. Lock, H.J. Bakker, J. Chem. Phys. 117, 1708 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  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)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. S. Ashihara, N. Huse, A. Espagne, E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser, J. Phys. Chem. A 111, 743 (2007)

    Article  Google Scholar 

  9. Z. Wang, Y. Pang, D.D. Dlott, J. Phys. Chem. A 111, 3196 (2007)

    Article  Google Scholar 

  10. C.P. Lawrence, J.L. Skinner, J. Chem. Phys. 118, 264 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. D. Laage, J.T. Hynes, Science 311, 832 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. J.R. Schmidt, S.A. Corcelli, J.L. Skinner, J. Chem. Phys. 123, 044513 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. T. Head-Gordon, G. Hura, Chem. Rev. 102, 2651 (2002)

    Article  Google Scholar 

  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)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. J.D. Smith, C.D. Cappa, K.R. Wilson, B.M. Messer, R.C. Cohen, R.J. Saykally, Science 306, 851 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. T. Pfeifer, C. Spielmann, G. Gerber, Rep. Prog. Phys. 69, 443 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  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)

    Article  ADS  Google Scholar 

  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)

    Article  ADS  Google Scholar 

  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)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. A. Lindenberg et al., Science 308, 392 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  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)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. W. Gawelda, M. Johnson, F.M.F. de Groot, R. Abela, C. Bressler, M. Chergui, J. Am. Chem. Soc. 128, 5001 (2006)

    Article  Google Scholar 

  23. C. Bressler, M. Chergui, Chem. Rev. 104, 1781 (2004)

    Article  Google Scholar 

  24. L.X. Chen, W.J.H. Jager, G. Jennings, D.J. Gosztola, A. Munkholm, J.P. Hessler, Science 292, 262 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  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)

    Article  Google Scholar 

  26. C.D. Cappa, J.D. Smith, K.R. Wilson, R.J. Saykally, J. Phys.: Condens. Matter 20, 205105 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. M. Odelius, M. Cavalleri, A. Nilsson, L.G.M. Pettersson, Phys. Rev. B 73, 024205 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. D. Prendergast, G. Galli, Phys. Rev. Lett. 96, 215502 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. D. Nordlund, H. Ogasawara, P. Wernet, M. Nyberg, M. Odelius, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Chem. Phys. Lett. 395, 161 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. M. Cavalleri, H. Ogasawara, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Chem. Phys. Lett. 364, 363 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. H. Bluhm, D.F. Ogletree, C.S. Fadley, Z. Hussain, M. Salmeron, J. Phys.: Condens. Matter 14, L227 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. S. Myneni et al., J. Phys.: Condens. Matter 14, L213 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. B. Winter, E.F. Aziz, U. Hergenhahn, M. Faubel, I.V. Hertel, J. Chem. Phys. 126, 124504 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. T. Head-Gordon, S.W. Rick, Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 83 (2007)

    Article  Google Scholar 

  35. M.V. Fernandez-Serra, E. Artacho, Phys. Rev. Lett. 96, 016404 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  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)

    Article  Google Scholar 

  37. J.D. Smith, C.D. Cappa, B.M. Messer, R.C. Cohen, R.J. Saykally, Science 308, 793 (2005)

    Article  Google Scholar 

  38. U. Bergmann, D. Nordlund, Ph. Wernet, M. Odelius, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Phys. Rev. B 76, 024202 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. U. Bergmann, Ph. Wernet, P. Glatzel, M. Cavalleri, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, S.P. Cramer, Phys. Rev. B 66, 092107 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. D.T. Bowron, M.H. Krisch, A.C. Barnes, J.L. Finney, A. Kaprolat, M. Lorenzen, Phys. Rev. B 62, R9223 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. X. Zhang, C.P. Grigoropoulos, Rev. Sci. Instrum. 66, 1115 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Ph. Wernet.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Wernet, P., Gavrila, G., Godehusen, K. et al. Ultrafast temperature jump in liquid water studied by a novel infrared pump-x-ray probe technique. Appl. Phys. A 92, 511–516 (2008). https://doi.org/10.1007/s00339-008-4726-5

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-008-4726-5

PACS

Navigation