為分子間能量傳遞「拍照」

2021-01-11 新華網客戶端

本報合肥3月31日電(通訊員範瓊記者李陳續)中國科學技術大學單分子科學團隊的董振超研究小組利用局域電場增強亞納米空間分辨的電致發光技術,在國際上首次實現分子間相干偶極耦合的成像觀察,即在單分子水平上對分子間能量傳遞特徵成功「拍照」。《自然》雜誌31日發表了這項成果,並在《新聞與觀點》欄目中以「耦合分子的特寫鏡頭」為題進行特別報導。

分子間的能量傳遞是維繫生命及其演化的重要方式,也是實現化學反應、構造分子功能材料的重要手段。從分子水平了解分子間能量轉移的形式和特徵,對了解自然界中光合作用的高效捕光機制具有非常重要的意義。如果能夠在分子水平掌握分子能量傳遞的秘密,就有希望根據相關規律研製出高效率的人工光合系統。

人們通常認為,分子間的能量傳遞像足球隊員傳球一樣,由接受能量的分子傳送給相鄰的另一個分子,然後依次傳遞下去。但最新的實驗表明,一份能量的注入,可能會引起相鄰分子間有一定規律的聯動,或者說相鄰分子的偶極之間產生相干耦合。偶極是表徵分子內電荷空間分布的一個物理參量,偶極耦合是指分子間電磁力的相互作用。

研究發現,局域電子的激發能量瞬間傳遞到整個分子二聚體,構成了一個量子糾纏體系,而且該體系不同能量狀態(即偶極耦合模式)的光子成像圖案具有特定的特徵。通過對這些空間特徵的分析,可以推導出分子二聚體中能量傳遞的相干特徵。在此基礎上,董振超小組更深入地對多分子糾纏體系的能量激發狀態進行研究,還設計出了實現更亮更純光源的方案。

《自然》雜誌的審稿人評價,「這項工作開闢了研究分子間相互作用的新途徑」,「對於許多研究領域——從分子間相互作用的基礎研究到捕光體系和量子光學等實際應用,都具有廣泛的影響和重要的意義。」

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