Quantum electric dipoles: Water molecules in nano-cages of crystals

• Applicants: Professor Dr. Hans Peter Büchler; Professor Dr. Martin Dressel; Professorin Maria Fyta, Ph.D.
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics ; Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2018 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 397476507

• Final Report Year: 2022

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)
  M. Dressel, E.S. Zhukova, V.G. Thomas, B.P. Gorshunov
  
• “Hertz-To-Terahertz Dielectric Response of Nanoconfined Water Molecules” Proceedings 26, 27 (2019)
  B. Gorshunov, M. Belyanchikov, M. Savinov, P. Bednyakov, Z. Bedran, V. Thomas, V. Torgashev, V. Anzin, A. Loidl, P. Lunkenheimer, E. Zhukova, E. Uykur, M. Dressel
  
• “Quantum Critical Behavior of Nanoconfined Water Molecules” Conference Digest of IRMMW-THz 2019
  E.S. Zhukova, M.A. Belyanchikov, M. Savinov, P. Bednyakov, J. Prokleska, S. Kamba, Z.V. Bedran, V.G. Thomas, V.I. Torgashev, E. Uykur, M. Dressel, B.P. Gorshunov
  
• “Dielectric ordering in dipolar lattice of water in cordierite” Nature Communications 11, 3927 (2020)
  M.A. Belyanchikov, M. Savinov, Z.V. Bedran, P. Bednyakov, P. Proschek, J. Prokleska, V.A. Abalmasov, J. Petzelt, E.S. Zhukova, V.G. Thomas, A. Dudka, A. Zhugayevych, A.S. Prokhorov, V.B. Anzin, R.K. Kremer, J.K.H. Fischer, P. Lunkenheimer, A. Loidl, E. Uykur, M. Dressel, B. Gorshunov
  
• “Rotational coherence of encapsulated ortho and para water in fullerene-C60 revealed by timedomain terahertz spectroscopy” Scientific Reports 10, 18329 (2020)
  S.S. Zhukov, V. Balos, G. Hoffman, S. Akom, M. Belyanchikov, M. Nebioglu, S. Roh, A. Pronin, G.R. Bacanu, P. Abramov, M.Wolf, M. Dressel, M. Levitt, R. Whitby, B. Gorshunov, M. Sajadi
  
• “Effect of hydrostatic pressure on the quantum paraelectric state of dipolar coupled water molecular network” Physical Review Research 4, 023205 (2022)
  Y.T. Chan, E. Uykur, M.A. Belyanchikov, M. Dressel, V.A. Abalmasov, V. Thomas, E.S. Zhukova, B. Gorshunov
  
• “Fingerprints of critical phenomena in a quantum paraelectric ensemble of nanoconfined water molecules” APS Nano Letters 22, 3380 (2022)
  M. A. Belyanchikov, M. Savinov, P. Proschek, J. Prokleska, E.S. Zhukova, V. G. Thomas, Z. Bedran, F. Kadlec, S. Kamba, M. Dressel, B. Gorshunov
  
• “New ground state of dipolar lattice of D2O@Beryl” IFMBE Proceedings 87, 284 (2022)
  M.A. Belyanchikov, M. Savinov, V. Thomas, M. Dressel, B. Gorshunov
  
• “Single-particle and collective excitations of polar water molecules confined in nanopores within cordierite crystal lattice” Physical Chemistry Chemical Physics 24, 6890 (2022)
  M.A. Belyanchikov, Z.V. Bedran, M. Savinov, P. Bednyakov, P. Proschek, J. Prokleska, V.A. Abalmasov, E.S. Zhukova, V.G. Thomas, A. Dudka, A. Zhugayevych, J. Petzelt, A.S. Prokhorov, V.B. Anzin, R.K. Kremer, J.K.H. Fischer, P. Lunkenheimer, A. Loidl, E. Uykur, M. Dressel, B. Gorshunov