Science | 科大少年班校友利用光学空腔改变化学分子的超快动力学过程
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中国科学技术大学新创校友基金会和少年班校友会获悉：2022年11月18日，来自美国加州大学圣地亚哥分校的熊伟教授课题组，在Science发表Cavity-enabled enhancement of ultrafast intramolecular vibrational distribution over pseudorotation的研究论文。第一作者为陈藤藤博士（中国科大09级少年班校友）， 共同一作为杨梓墨（中国科大13级物理系校友）。文章报道了利用光学空腔(optical cavity)增强物质与光的相互作用 (light-matter interactions)， 形成分子振动极化基元， 利用分子振动态强耦合突破性地改变了化学分子（五羰基铁Fe(CO)5）的超快动力学过程，加快了分子内振动能量重新分布(intramolecular vibrational energy redistribution) 的速率，同时减缓了分子的贝里假旋转（Berry pseudorotation）速率。 本工作首次揭示了在分子振动态强耦合过程中暗能级的动力学过程并未受到影响这一重要发现。
分子振动强耦合是利用在光学空腔中化学分子振动能级和空腔光学能级相互杂化形成新的分子振动极化基元，从而改变化学系统的能级排布。近年来， Thomas Ebbesen等课题组发现只需要将化学溶液放在光学空腔内，利用分子振动强耦合效应就可以改变化学反应的速率和产出，引起了化学界的广泛关注。但是到目前为止，报道的化学反应过程都不是基元反应，致使反应机理复杂，且存在可重复性的争议。另外，之前的研究均缺乏有效手段研究占系统绝大多数的暗能级的动力学性质。
作者选取了一个简单的分子异构化过程进行研究：五羰基铁的贝里假旋转导致的两个振动能级的能量传输。该反应仅仅需要跨越一个能量势垒，且在室温下溶液即可发生，代表了化学反应的本质过程。利用飞秒二维红外光谱观测随时间的动力学信号，作者发现在分子振动强耦合下，不同极化基元的能量传输比正常情况下要快大约30%，而暗能级的能量传输几乎与正常情况下相同。
作者随后研究了可能的化学物理机理。作者利用不同能量传输路径的各向异性的差异，通过建模分析及拟合实验数据，分离出分子内振动能量重新分布和贝里假旋转的不同组分。作者发现在普通情况下，不同能级间能量传输由贝里假旋转主导，而在光学空腔内则是不同极化基元间能量传输由分子内振动能量重新分布为主导，并且贝里假旋转的速率被减缓了。然而暗能级间能量传输则和正常情况一样，依旧由贝里假旋转为主导。通过不同溶液测试和改变耦合强弱，作者发现这一能量传输加速的现象是始终存在且由光学空腔的效应导致。
作者首次证明了分子振动强耦合可以改变分子的超快化学反应速率，且可以加快或者减缓不同的能量传输路径，为解释分子振动强耦合如何改变化学反应提供了新思路。作者还首次证明了分子振动强耦合中占绝大多数的暗能级并没有改变，仅仅是极化基元的动力学性质发生了变化，为如何增强分子振动强耦合效应指明了新的研究路径。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add0276
本期《Science》印刷版封面：晶体管75周年
主要作者简介
陈藤藤（中国科大09少校友）
陈藤藤（第一作者），博士。2009年被中国科学技术大学少年班录取，2013年本科毕业于凝聚态物理专业，（导师：杜江峰院士），首届严济慈物理英才班学生，2013年进入宾夕法尼亚大学攻读博士，2014年转入布朗大学，于2020年在布朗大学获得化学博士学位（导师：Lai-Sheng Wang），博士期间从事光电子能谱测量气相硼团簇以及金属硼团簇的电子能级及几何构型的研究。2020年于加州大学圣地亚哥分校熊伟实验室任博士后研究员，从事利用超快激光和二维红外光谱测量分子振动强耦合下凝聚态化学体系的动力学研究。以第一（共同第一）作者发表19篇文章， 其中Science（1篇）, Annu. Rev. Phys. Chem. （1篇）, PNAS（1篇）, Nat. Commun. （2篇）, Angew. Chem. Int. Ed. （2篇）, Chem. Sci. （2篇）, JPCL（1篇），成果两次被美国主流科学媒体C&En News报道，获得2020年度国家优秀自费留学生奖学金。文章被引用超过800次，H因子16.
杨梓墨（中国科大1302校友）
杨梓墨 (共同第一作者)，博士生。2013年录取于中国科学技术大学工程系，次年转入物理系。本科期间在校内先后在丁泽军教授课题组和彭新华教授课题组进行学习。校外先后在台湾大学，密歇根大学（导师：Jianping Fu），卡内基梅隆大学（导师: Stephanie Tristram-Nagle）参与交流项目。从2018年至今于加州大学圣地亚哥分校熊伟教授课题组从事利用超快激光和二维红外光谱对分子振动极化基元的研究。至今共发表论文7篇。
熊伟
熊伟（主要通讯作者），加州大学圣地亚哥分校教授，Kent Wilson Faculty Scholar。2006年本科毕业于北京大学化学系， 2011年于美国威斯康辛大学麦迪逊分校获得化学博士学位，2011-2014年在科罗拉多大学博德分校从事博士后研究，2014年至今在加州大学圣地亚哥分校历任助理教授，副教授，正教授。2020年斯隆奖获得者。招收感兴趣数理基础较好的博士生博士后，课题组主页： https://ultrafast.ucsd.edu/ 联系邮箱： w2xiong@ucsd.edu
新闻供稿：陈藤藤博士（中国科大09级少年班校友）
2022-11-18 上一篇: 空间物理学家窦贤康出掌国家自然科学基金委 下一篇: 八仙过海显神通！八校友荣膺中国青年科技奖
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