Intermediate-range order in water ices: Nonresonant inelastic x-ray scattering measurements and real-space full multiple scattering calculations

Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics

Volumn 79, Issue 17, 2009, Pages

  Fister, Timothy T ^a,b   Nagle, Kenneth P ^a   Vila, Fernando D ^a   Seidler, Gerald T ^a   Hamner, Christopher ^a,c   Cross, Julie O ^d   Rehr, John J ^a  

^a UNIVERSITY OF WASHINGTON   (United States)

^b ARGONNE NATIONAL LABORATORY   (United States)

^c WASHINGTON STATE UNIVERSITY   (United States)

^d ARGONNE NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 67649410668     PISSN: 10980121     EISSN: 1550235X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1103/PhysRevB.79.174117     Document Type: Article

References (109)

1. J. G. Dash, H. Y. Fu, and J. S. Wettlaufer, Rep. Prog. Phys. 58, 115 (1995) 10.1088/0034-4885/58/1/003
2. J. E. Shilling, M. A. Tolbert, O. B. Toon, E. J. Jensen, B. J. Murray, and A. K. Bertram, Geophys. Res. Lett. 33, L17801 (2006). 10.1029/2006GL026671
3. J. Klinger, Icarus 47, 320 (1981). 10.1016/0019-1035(81)90179-2
4. P. Jenniskens and D. F. Blake, Science 265, 753 (1994). 10.1126/science.11539186
5. W. V. Boynton, W. C. Feldman, S. W. Squyres, T. H. Prettyman, J. Bruckner, L. G. Evans, R. C. Reedy, R. Starr, J. R. Arnold, D. M. Drake, P. A. J. Englert, A. E. Metzger, I. Mitrofanov, J. I. Trombka, C. d'Uston, H. Wanke, O. Gasnault, D. K. Hamara, D. M. Janes, R. L. Marcialis, S. Maurice, I. Mikheeva, G. J. Taylor, R. Tokar, and C. Shinohara, Science 297, 81 (2002). 10.1126/science.1073722
6. J. B. Pollack, D. Hollenbach, S. Beckwith, D. P. Simonelli, T. Roush, and W. Fong, Astrophys. J. 421, 615 (1994). 10.1086/173677
7. U. Bergmann, D. Nordlund, P. Wernet, M. Odelius, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, Phys. Rev. B 76, 024202 (2007). 10.1103/PhysRevB.76.024202
8. G. Brancato, N. Rega, and V. Barone, Phys. Rev. Lett. 100, 107401 (2008) 10.1103/PhysRevLett.100.107401
9. R. Bukowski, K. Szalewicz, G. C. Groenenboom, and A. van der Avoird, Science 315, 1249 (2007) 10.1126/science.1136371
10. M. V. Fernandez-Serra and E. Artacho, Phys. Rev. Lett. 96, 016404 (2006) 10.1103/PhysRevLett.96.016404;
11. O. Fuchs, M. Zharnikov, L. Weinhardt, M. Blum, M. Weigand, Y. Zubavichus, M. Bar, F. Maier, J. D. Denlinger, C. Heske, M. Grunze, and E. Umbach, Phys. Rev. Lett. 100, 249802 (2008) 10.1103/PhysRevLett.100.249802
12. O. Fuchs, M. Zharnikov, L. Weinhardt, M. Blum, M. Weigand, Y. Zubavichus, M. Bär, F. Maier, J. D. Denlinger, C. Heske, M. Grunze, and E. Umbach, Phys. Rev. Lett. 100, 027801 (2008) 10.1103/PhysRevLett.100.027801
13. T. Head-Gordon and M. E. Johnson, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 7973 (2006) 10.1073/pnas.0510593103
14. T. Head-Gordon and M. E. Johnson, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 16614 (2006) 10.1073/pnas.0608020103
15. M. Iannuzzi, J. Chem. Phys. 128, 204506 (2008) 10.1063/1.2928842
16. M. Leetmaa, M. Ljungberg, H. Ogasawara, M. Odelius, L. A. Naslund, A. Nilsson, and L. G. M. Pettersson, J. Chem. Phys. 125, 244510 (2006) 10.1063/1.2408419
17. M. Leetmaa, K. T. Wikfeldt, M. P. Ljungberg, M. Odelius, J. Swenson, A. Nilsson, and L. G. M. Pettersson, J. Chem. Phys. 129, 084502 (2008) 10.1063/1.2968550
18. L. A. Naslund, J. Luning, Y. Ufuktepe, H. Ogasawara, P. Wernet, U. Bergmann, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, J. Phys. Chem. B 109, 13835 (2005) 10.1021/jp052046q
19. A. Nilsson, P. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L. A. Naslund, T. K. Hirsch, P. Glatzel, and L. G. M. Pettersson, Science 308, 793A (2005) 10.1126/science.1108864
20. L. G. M. Pettersson, T. Tokushima, Y. Harada, O. Takahashi, S. Shin, and A. Nilsson, Phys. Rev. Lett. 100, 249801 (2008) 10.1103/PhysRevLett.100.249801
21. D. Prendergast and G. Galli, Phys. Rev. Lett. 96, 215502 (2006) 10.1103/PhysRevLett.96.215502
22. J. D. Smith, C. D. Cappa, B. M. Messer, R. C. Cohen, and R. J. Saykally, Science 308, 793 (2005) 10.1126/science.1108945
23. J. D. Smith, C. D. Cappa, B. M. Messer, W. S. Drisdell, R. C. Cohen, and R. J. Saykally, J. Phys. Chem. B 110, 20038 (2006) 10.1021/jp063661c
24. J. D. Smith, C. D. Cappa, K. R. Wilson, B. M. Messer, R. C. Cohen, and R. J. Saykally, Science 306, 851 (2004) 10.1126/science.1102560
25. A. K. Soper, J. Phys.: Condens. Matter 17, S3273 (2005) 10.1088/0953-8984/17/45/012
26. T. Tokushima, Y. Harada, O. Takahashi, Y. Senba, H. Ohashi, L. G. M. Pettersson, A. Nilsson, and S. Shin, Chem. Phys. Lett. 460, 387 (2008) 10.1016/j.cplett.2008.04.077
27. R. L. C. Wang, H. J. Kreuzer, and M. Grunze, Phys. Chem. Chem. Phys. 8, 4744 (2006) 10.1039/b607093k
28. B. Winter, E. F. Aziz, U. Hergenhahn, M. Faubel, and I. V. Hertel, J. Chem. Phys. 126, 124504 (2007). 10.1063/1.2710792
29. A. Hermann, W. G. Schmidt, and P. Schwerdtfeger, Phys. Rev. Lett. 100, 207403 (2008) 10.1103/PhysRevLett.100.207403
30. R. Kumar, J. R. Schmidt, and J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 126, 204107 (2007) 10.1063/1.2742385
31. D. Nordlund, M. Odelius, H. Bluhm, H. Ogasawara, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, Chem. Phys. Lett. 460, 86 (2008). 10.1016/j.cplett.2008.04.096
32. D. Nordlund, H. Ogasawara, H. Bluhm, O. Takahashi, M. Odelius, M. Nagasono, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, Phys. Rev. Lett. 99, 217406 (2007). 10.1103/PhysRevLett.99.217406
33. K. Nygard, M. Hakala, S. Manninen, A. Andrejczuk, M. Itou, Y. Sakurai, L. G. M. Pettersson, and K. Hamalainen, Phys. Rev. E 74, 031503 (2006). 10.1103/PhysRevE.74.031503
34. P. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L. A. Naslund, T. K. Hirsch, L. Ojamae, P. Glatzel, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, Science 304, 995 (2004). 10.1126/science.1096205
35. H. Bluhm, D. F. Ogletree, C. S. Fadley, Z. Hussain, and N. Salmeron, J. Phys.: Condens. Matter 14, L227 (2002). 10.1088/0953-8984/14/8/108
36. D. Nordlund, H. Ogasawara, Ph. Wernet, M. Nyberg, M. Odelius, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, Chem. Phys. Lett. 395, 161 (2004). 10.1016/j.cplett.2004.06.141
37. C. Laffon, S. Lacombe, F. Bournel, and P. Parent, J. Chem. Phys. 125, 204714 (2006) 10.1063/1.2395937
38. P. Wernet, G. Gavrila, K. Godehusen, C. Weniger, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, and W. Eberhardt, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 92, 511 (2008) 10.1007/s00339-008-4726-5
39. C. D. Cappa, J. D. Smith, K. R. Wilson, and R. J. Saykally, J. Phys.: Condens. Matter 20, 205105 (2008). 10.1088/0953-8984/20/20/205105
40. Ph. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L. A. Naslund, T. K. Hirsch, L. Ojamae, P. Glatzel, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, Science 304, 995 (2004). 10.1126/science.1096205
41. Y. Zubavichus, Y. J. Yang, M. Zharnikov, O. Fuchs, T. Schmidt, C. Heske, E. Umbach, G. Tzvetkov, F. P. Netzer, and M. Grunze, ChemPhysChem 5, 509 (2004). 10.1002/cphc.200300842
42. Y. Zubavichus, M. Zharnikov, Y. J. Yang, O. Fuchs, E. Umbach, C. Heske, and M. Grunze, Langmuir 22, 7241 (2006). 10.1021/la060379o
43. P. Parent, C. Laffon, C. Mangeney, F. Bournel, and M. Tronc, J. Chem. Phys. 117, 10842 (2002). 10.1063/1.1519256
44. M. Cavalleri, M. Odelius, D. Nordlund, A. Nilsson, and L. G. M. Pettersson, Phys. Chem. Chem. Phys. 7, 2854 (2005). 10.1039/b505723j
45. M. Cavalleri, H. Ogasawara, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, Chem. Phys. Lett. 364, 363 (2002). 10.1016/S0009-2614(02)00890-4
46. M. Odelius, M. Cavalleri, A. Nilsson, and L. G. M. Pettersson, Phys. Rev. B 73, 024205 (2006). 10.1103/PhysRevB.73.024205
47. J. A. Soininen, A. L. Ankudinov, and J. J. Rehr, Phys. Rev. B 72, 045136 (2005). 10.1103/PhysRevB.72.045136
48. M. Hakala, K. Nygard, S. Manninen, S. Huotari, T. Buslaps, A. Nilsson, L. G. M. Pettersson, and K. Hamalainen, J. Chem. Phys. 125, 084504 (2006) 10.1063/1.2273627
49. E. D. Isaacs, A. Shukla, P. M. Platzman, D. R. Hamann, B. Barbiellini, and C. A. Tulk, Phys. Rev. Lett. 82, 600 (1999) 10.1103/PhysRevLett.82.600
50. T. K. Ghanty, V. N. Staroverov, P. R. Koren, and E. R. Davidson, J. Am. Chem. Soc. 122, 1210 (2000) 10.1021/ja9937019
51. K. Nygard, M. Hakala, S. Manninen, M. Itou, Y. Sakurai, and K. Hamalainen, Phys. Rev. Lett. 99, 197401 (2007) 10.1103/PhysRevLett.99.197401
52. K. Nygard, M. Hakala, T. Pylkkanen, S. Manninen, T. Buslaps, M. Itou, A. Andrejczuk, Y. Sakurai, M. Odelius, and K. Hamalainen, J. Chem. Phys. 126, 154508 (2007) 10.1063/1.2723093
53. Patrick H.-L. Sit, C. Bellin, B. Barbiellini, D. Testemale, J. L. Hazemann, T. Buslaps, N. Marzari, and A. Shukla, Phys. Rev. B 76, 245413 (2007). 10.1103/PhysRevB.76.245413
54. U. Bergmann, A. DiCicco, P. Wernet, E. Principi, P. Glatzel, and A. Nilsson, J. Chem. Phys. 127, 174504 (2007). 10.1063/1.2784123
55. U. Bergmann, P. Wernet, P. Glatzel, M. Cavalleri, L. G. M. Pettersson, A. Nilsson, and S. P. Cramer, Phys. Rev. B 66, 092107 (2002). 10.1103/PhysRevB.66. 092107
56. Y. Q. Cai, H. K. Mao, P. C. Chow, J. S. Tse, Y. Ma, S. Patchkovskii, J. F. Shu, V. Struzhkin, R. J. Hemley, H. Ishii, C. C. Chen, I. Jarrige, C. T. Chen, S. R. Shieh, E. P. Huang, and C. C. Kao, Phys. Rev. Lett. 94, 025502 (2005). 10.1103/PhysRevLett.94.025502
57. P. Wernet, D. Testemale, J. L. Hazemann, R. Argoud, P. Glatzel, L. G. M. Pettersson, A. Nilsson, and U. Bergmann, J. Chem. Phys. 123, 154503 (2005). 10.1063/1.2064867
58. H. Fukui, S. Huotari, D. Andrault, and T. Kawamoto, J. Chem. Phys. 127, 134502 (2007). 10.1063/1.2774988
59. J. S. Tse, D. M. Shaw, D. D. Klug, S. Patchkovskii, G. Vanko, G. Monaco, and M. Krisch, Phys. Rev. Lett. 100, 095502 (2008). 10.1103/PhysRevLett.100. 095502
60. U. Bergmann, P. Glatzel, and S. P. Cramer, Microchem. J. 71, 221 (2002) 10.1016/S0026-265X(02)00014-0
61. M. Krisch and F. Sette, Surf. Rev. Lett. 9, 969 (2002). 10.1142/S0218625X02001689
62. W. L. Mao, H. K. Mao, Y. Meng, P. J. Eng, M. Y. Hu, P. Chow, Y. Q. Cai, J. F. Shu, and R. J. Hemley, Science 314, 636 (2006). 10.1126/science.1132884
63. A. P. Hitchcock, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 112, 9 (2000) 10.1016/S0368-2048(00)00200-0
64. A. P. Hitchcock, I. G. Eustatiu, J. T. Francis, and C. C. Turci, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 88-91, 77 (1998) 10.1016/S0368-2048(97)00252- 1
65. K. T. Leung, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 100, 237 (1999). 10.1016/S0368-2048(99)00049-3
66. Y. Mizuno and Y. Ohmura, J. Phys. Soc. Jpn. 22, 445 (1967) 10.1143/JPSJ.22.445
67. H. Nagasawa, S. Mourikis, and W. Schulke, J. Phys. Soc. Jpn. 58, 710 (1989) 10.1143/JPSJ.58.710
68. T. Suzuki, J. Phys. Soc. Jpn. 22, 1139 (1967). 10.1143/JPSJ.22.1139
69. W. Schulke, J. Phys.: Condens. Matter 13, 7557 (2001). 10.1088/0953-8984/13/34/307
70. H. Sternemann, C. Sternemann, J. S. Tse, S. Desgreniers, Y. Q. Cai, G. Vanko, N. Hiraoka, A. Schacht, J. A. Soininen, and M. Tolan, Phys. Rev. B 75, 245102 (2007) 10.1103/PhysRevB.75.245102
71. M. Balasubramanian, C. S. Johnson, J. O. Cross, G. T. Seidler, T. T. Fister, E. A. Stern, C. Hamner, and S. O. Mariager, Appl. Phys. Lett. 91, 031904 (2007) 10.1063/1.2752755
72. U. Bergmann, O. C. Mullins, and S. P. Cramer, Anal. Chem. 72, 2609 (2000) 10.1021/ac990730t
73. S. K. Lee, P. J. Eng, H. K. Mao, Y. Meng, and J. Shu, Phys. Rev. Lett. 98, 105502 (2007) 10.1103/PhysRevLett.98.105502
74. S. K. Lee, P. J. Eng, H. K. Mao, Y. Meng, M. Newville, M. Y. Hu, and J. F. Shu, Nature Mater. 4, 851 (2005) 10.1038/nmat1511
75. W. L. Mao, H. K. Mao, P. J. Eng, T. P. Trainor, M. Newville, C. C. Kao, D. L. Heinz, J. F. Shu, Y. Meng, and R. J. Hemley, Science 302, 425 (2003) 10.1126/science.1089713
76. Y. Meng, H. K. Mao, P. J. Eng, T. P. Trainor, M. Newville, M. Y. Hu, C. C. Kao, J. F. Shu, D. Hausermann, and R. J. Hemley, Nature Mater. 3, 111 (2004) 10.1038/nmat1060
77. J. F. Lin, H. Fukui, D. Prendergast, T. Okuchi, Y. Q. Cai, N. Hiraoka, C. S. Yoo, A. Trave, P. Eng, M. Y. Hu, and P. Chow, Phys. Rev. B 75, 012201 (2007). 10.1103/PhysRevB.75.012201
78. T. T. Fister, F. D. Vila, G. T. Seidler, L. Svec, J. C. Linehan, and J. O. Cross, J. Am. Chem. Soc. 130, 925 (2008) 10.1021/ja074794u
79. S. Galambosi, M. Knaapila, J. A. Soininen, K. Nygard, S. Huotari, F. Galbrecht, U. Scherf, A. P. Monkman, and K. Hamalainen, Macromolecules 39, 9261 (2006) 10.1021/ma060823u
80. J. A. Soininen, A. Mattila, J. J. Rehr, S. Galambosi, and K. Hamalainen, J. Phys.: Condens. Matter 18, 7327 (2006) 10.1088/0953-8984/18/31/025
81. T. T. Fister, G. T. Seidler, E. L. Shirley, F. D. Vila, J. J. Rehr, K. P. Nagle, J. C. Linehan, and J. O. Cross, J. Chem. Phys. 129, 044702 (2008). 10.1063/1.2949550
82. R. A. Gordon, G. T. Seidler, T. T. Fister, M. W. Haverkort, G. A. Sawatzky, A. Tanaka, and T. K. Sham, Europhys. Lett. 81, 26004 (2008) 10.1209/0295-5075/81/26004
83. C. Sternemann, J. A. Soininen, M. Volmer, A. Hohl, G. Vanko, S. Streit, and M. Tolan, J. Phys. Chem. Solids 66, 2277 (2005) 10.1016/j.jpcs.2005.09.050
84. Y. J. Feng, G. T. Seidler, J. O. Cross, A. T. Macrander, and J. J. Rehr, Phys. Rev. B 69, 125402 (2004) 10.1103/PhysRevB.69.125402
85. K. Hamalainen, S. Galambosi, J. A. Soininen, E. L. Shirley, J. P. Rueff, and A. Shukla, Phys. Rev. B 65, 155111 (2002) 10.1103/PhysRevB.65.155111
86. M. H. Krisch, F. Sette, C. Masciovecchio, and R. Verbeni, Phys. Rev. Lett. 78, 2843 (1997) 10.1103/PhysRevLett.78.2843
87. C. Sternemann, J. A. Soininen, S. Huotari, G. Vanko, M. Volmer, R. A. Secco, J. S. Tse, and M. Tolan, Phys. Rev. B 72, 035104 (2005) 10.1103/PhysRevB.72.035104
88. H. Sternemann, J. A. Soininen, C. Sternemann, K. Hamalainen, and M. Tolan, Phys. Rev. B 75, 075118 (2007) 10.1103/PhysRevB.75.075118
89. C. Sternemann, M. Volmer, J. A. Soininen, H. Nagasawa, M. Paulus, H. Enkisch, G. Schmidt, M. Tolan, and W. Schulke, Phys. Rev. B 68, 035111 (2003) 10.1103/PhysRevB.68.035111
90. A. Mattila, J. A. Soininen, S. Galambosi, S. Huotari, G. Vanko, N. D. Zhigadlo, J. Karpinski, and K. Hamalainen, Phys. Rev. Lett. 94, 247003 (2005) 10.1103/PhysRevLett.94.247003
91. Y. J. Feng, J. A. Soininen, A. L. Ankudinov, J. O. Cross, G. T. Seidler, A. T. Macrander, J. J. Rehr, and E. L. Shirley, Phys. Rev. B 77, 165202 (2008). 10.1103/PhysRevB.77.165202
92. T. T. Fister, G. T. Seidler, C. Hamner, J. O. Cross, J. A. Soininen, and J. J. Rehr, Phys. Rev. B 74, 214117 (2006). 10.1103/PhysRevB.74.214117
93. A. Sakko, M. Hakala, J. A. Soininen, and K. Hamalainen, Phys. Rev. B 76, 205115 (2007) 10.1103/PhysRevB.76.205115
94. J. A. Soininen, K. Hamalainen, W. A. Caliebe, C. C. Kao, and E. L. Shirley, J. Phys.: Condens. Matter 13, 8039 (2001) 10.1088/0953-8984/13/35/311
95. J. A. Soininen and E. L. Shirley, Phys. Rev. B 64, 165112 (2001). 10.1103/PhysRevB.64.165112
96. A. L. Ankudinov, B. Ravel, J. J. Rehr, and S. D. Conradson, Phys. Rev. B 58, 7565 (1998). 10.1103/PhysRevB.58.7565
97. T. T. Fister, G. T. Seidler, L. Wharton, A. R. Battle, T. B. Ellis, J. O. Cross, A. T. Macrander, W. T. Elam, T. A. Tyson, and Q. Qian, Rev. Sci. Instrum. 77, 063901 (2006). 10.1063/1.2204581
98. P. V. Hobbs, Ice Physics (Oxford University Press, Oxford, 1974).
99. T. T. Fister, G. T. Seidler, J. J. Rehr, J. J. Kas, W. T. Elam, J. O. Cross, and K. P. Nagle, Phys. Rev. B 75, 174106 (2007). 10.1103/PhysRevB.75. 174106
100. J. J. Rehr and R. C. Albers, Rev. Mod. Phys. 72, 621 (2000). 10.1103/RevModPhys.72.621
101. D. T. Bowron, M. H. Krisch, A. C. Barnes, J. L. Finney, A. Kaprolat, and M. Lorenzen, Phys. Rev. B 62, R9223 (2000). 10.1103/PhysRevB.62.R9223
102. J. Stohr, NEXAFS Spectroscopy (Springer, Berlin, 1992).
103. E. R. Batista, S. S. Xantheas, and H. Jonsson, J. Chem. Phys. 109, 4546 (1998) 10.1063/1.477058
104. F. D. Vila, R. Batista, and H. Jonsson (unpublished).
105. A. L. Ankudinov, Y. Takimoto, and J. J. Rehr, Phys. Rev. B 71, 165110 (2005). 10.1103/PhysRevB.71.165110
106. T. T. Fister, Ph.D. Dissertation, University of Washington, 2007.
107. C. M. B. Line and R. W. Whitworth, J. Chem. Phys. 104, 10008 (1996). 10.1063/1.471745
108. D. M. Shaw and J. S. Tse, J. Phys.: Condens. Matter 19, 425211 (2007). 10.1088/0953-8984/19/42/425211
109. R. Car and M. Parrinello, Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985). 10.1103/PhysRevLett.55.2471