近日，英国威廉希尔公司赵跃进教授课题组同首都师范大学张亮亮研究员课题组合作，在太赫兹波探测液态水中氢键运动研究方面取得新进展。他们发现在自由下落的水膜上施加超强的宽带太赫兹脉冲会引起折射率的可测量变化，这与液态水中共振激发的氢键振动有关。该研究实现了在亚皮秒时间分辨率下对液态水中超快的氢键动力学演化过程的观察。该研究成果以"Ultrafast Hydrogen-Bond Dynamics of Liquid Water revealed by Terahertz-induced Transient Birefringence" 为题在线发表在国际光学顶尖期刊Light: Science & Applications上。

图1 实验系统示意图

　　液态水是世界上最常见的物质，但迄今为止我们对水的了解仍然不全面，尤其是分子水平上的行为。这与液态水分子复杂的网络结构以及超快的演化过程有关。当一个水分子以近乎四面体构型与相邻水分子形成氢键时，这个三维的网络包含着复杂的分子间自由度，其中的动力学过程也非比寻常。受分子间结构动力学强烈影响的介电敏感性可以反映从千兆赫兹（GHz）到太赫兹（THz）频率范围内分子的集体和/或协同运动。利用光学方法评估液态介质的介电敏感性一直以来都是探究其基础性质的重要手段。近年来，远红外光谱法、低频拉曼光谱法、透射太赫兹时域光谱法和2D拉曼-太赫兹光谱法等光学技术的发展，逐渐加深了对氢键网络的结构、稳定性以及重排列动力学的了解。然而，由于分子集体和协同运动的复杂性以及分子和分子间相关模式的光谱重叠，使得精准探究每种运动模式对介电敏感性的贡献变得困难。

图2 a水和重水的太赫兹克尔效应的时域特征。b超快时域演化的理论模拟

　　水分子间氢键动力学的振动光谱位于太赫兹范围内，因此利用太赫兹脉冲共振激发分子间氢键振动，可以大大增强其在多种水分子运动模式中的辨识度。该工作在实验上使用时间分辨的太赫兹克尔效应（TKE）技术选择性的共振激发液态介质中一种或几种分子运动模式，实现了对低频分子间自由度的直接访问以及高精度的实时观察，从而更准确地了解液态水中氢键约束下的分子运动。更进一步的，作者利用一种与介电敏感性相关的氢键谐振子模型，对实验中亚皮秒尺度下观察到的氢键行为进行描述；再结合相对微弱的水分子集体重定向和超快的电子过程，从理论上建立了宏观各向异性表现与相关分子间运动的联系，并成功地复现了测量的TKE信号。该工作中展现的亚皮秒尺度的时间分辨率，对于观察和理解液态水中分子间运动模式的瞬态演化具有重要意义，也为进一步探究试剂与溶剂水分子的复杂相互作用打下基础。

　　该项成果得到了北京市杰出青年基金、国家自然科学重点基金和青年基金、广东省基础与应用基础研究基金和北京市成像技术高精尖创新中心的支持。本文共同第一作者为英国威廉希尔公司博士生赵航、谭永，通讯作者为英国威廉希尔公司赵跃进教授和首都师范大学物理系张亮亮研究员。合作者包括美国罗切斯特大学张希成教授，中国科学院深圳先进技术研究院张锐博士，和首都师范大学物理系张存林教授、Mostafa Shalaby博士。

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https://doi.org/10.1038/s41377-020-00370-z