Probing Laser-Induced Plasma Generation in Liquid Water

光激发 化学 飞秒 化学物理 激光器 等离子体 原子物理学 离子键合 溶剂化 分子动力学 分子物理学 分子 离子 光学 核物理学 计算化学 物理 激发态 有机化学
作者
Jiyu Xu,Daqiang Chen,Sheng Meng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (27): 10382-10388 被引量:18
标识
DOI:10.1021/jacs.1c04675
摘要

Understanding photoexcitation dynamics in liquid water is of crucial significance for both fundamental scientific exploration and technological applications. Despite the observations of photoinduced macroscopic phenomena, the initial atomistic movements and associated energy transfer pathways immediately following laser irradiation are hard to track due to the extreme complexity of laser–water interaction and its ultrafast time scale. We explore the femtosecond evolution of liquid water upon intense photoexcitation based on nonadiabatic quantum dynamics simulations. Separate ionic and electronic dynamics were explicitly monitored with tremendous details unveiled on an unprecedented microscopic level. Water was found to undergo the two-step heating processes. The strong-field effects and electronic excitations dominate the first-stage heating and pressurization. Subsequent relaxation of ionic and electronic subsystems further increases the ionic temperature but releases the large internal pressure. The water molecules are stretched during the laser pulses, and the electronic excitations result in the proton transfers after laser pulses. Intense laser pulses violently excite liquid water, giving rise to severe molecular dissociation and plasma generation during the laser pulses. The laser-induced water plasma is characterized by a high fraction of free protons (∼50%), nonequilibrium ionic and electronic distributions, and a metallic electronic density of states.
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