Quantum electric dipoles: Water molecules in nano-cages of crystals
Theoretical Condensed Matter Physics
Final Report Abstract
Durch die Kombination von mehreren experimentellen Methoden und theoretischen Ansätzen konnte wir ein deutlich verbessertes Verständnis die dipolaren Kopplung von Wassermolekülen in Nanokäfigen gewinnen. Die Ausgangsidee, dass sich Wassermoleküle in Beryl durch dipolare Kopplung in einen ferroelektrischen Zustand bringen lassen, konnte bisher nicht realisiert werden. Einerseits liegt dies an quantenmechanischen Effekten bei tiefen Temperaturen: Fluktuationen verhindern die Ordnung. Äußerer Druck erhöht nicht die Kopplung, sondern vielmehr die Fluktuationen. Bezüglich des ferroelektrischen Grundzustands ist es so, dass sich die H2O Molekülen, welche innerhalb der ab-Ebenen ein gleichseitiges Dreiecksgitter bilden, zwar ferroelektrisch arrangieren möchten, dass jedoch angrenzende Ebenen sich gerade antiferroelektrisch anordnen, sodass kein dreidimensionaler ferroelektrischer Zustand eintreten wird. Diese antiferroelektrische Anordnung verhinder, dass der Phasenübergang eindeutig durch eine spektroskopische Untersuchung mit einem homogenen Treiber identifiziert werden kann. Die entsprechenden Simulationen der Wassermoleküle in den Beryllkäfigen konnten eine tiefgehende Einsicht in den Einfluss der Füllfaktoren und Füllkombinationen auf die Dipoldynamik des Wassers in Beryll als auch ein Model für eingeschränktes Wasser liefern. Letzteres ermöglicht eine Hochskalierung der Modellierung auf experimentell zugängliche Skalen für Folgeuntersuchungen.
Publications
- “Quantum Electric Dipole Lattice: Water Molecules Confined to Nanocavities in Beryl” Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 39, 799-815 (2018)
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