分子超高速相机:阿秒光谱捕捉电子传递动力学

时间分辨测量。来源:《自然化学》(Nature Chemistry)(2024)。DOI: 10.1038/s41557-024-01620-y, https://www.nature.com/articles/s41557-024-01620-y

在自然界，光合作用赋予植物与细菌生命活力，而太阳能电池板则巧妙地将光能转化为电能，这两大过程均根植于电子的微妙运动，即分子层面的电荷迁移。这一过程不仅是量子效应与分子动态学的精彩演绎，更是电子密度在光激发下重新布局的超高速奇观。深入探究这些超快现象，不仅解锁了它们背后的物理奥秘，还为我们提供了调控分子化学结构与特性、优化能量转换效率的宝贵钥匙。

为了捕捉这些瞬息万变的动态，科学家们借助了超短紫外脉冲这一尖端工具，它们源自高次谐波源或自由电子激光设备，能够在飞秒乃至阿秒的时间尺度上精准“定格”电子与电荷的跃迁瞬间。尽管技术日新月异，但光电离后电子与电荷转移的首个瞬间细节，仍如同迷雾中的珍珠，等待被彻底照亮。

近日，《自然化学》期刊上的一项突破性成果，由米兰理工大学、马德里纳米科学高级研究所（IMDEA Nanociencia）、马德里自治大学及康普顿斯大学的研究团队共同贡献，他们利用阿秒精度的极紫外脉冲，为供体-受体分子系统中电子与原子核间错综复杂的相互作用绘制了一幅前所未有的精细图谱。这一成就不仅为理解化学过程的微观世界开辟了新视野，更是推动了我们对自然界能量转换机制认知的一大步。

分子超高速相机:阿秒光谱捕捉电子传递动力学

光激发后对硝基苯胺分子的电子密度。来源:Fernando Martín

通过采用尖端的阿秒脉冲技术，研究团队成功地在极高精度下窥视了硝基苯胺分子中电荷转移的起跑瞬间。他们巧妙结合了阿秒极紫外泵浦与几飞秒红外探测光谱技术，并辅以复杂的多体量子化学计算，绘制出了这一超高速电荷迁移过程的动态图谱。此次研究彻底解开了电子与电荷转移各阶段的精确时间面纱，揭示了前所未有的细节。

核心发现震撼人心：在原子核与电子近乎同步的舞动中，电子从氨基这一“电子仓库”向苯环连接的化学键转移，整个过程仅需不足10飞秒，快如闪电。随后，分子阳离子中的核波包开始传播，触发了一个在30飞秒左右完成的弛豫过程，如同乐章中的过渡章节，引领系统步入新的稳定状态。

这一突破不仅量化了电荷迁移的具体时长及伴随的结构微调，还深刻揭示了电子-核耦合机制在光电离响应中的关键角色，为理解有机分子内电荷流动的传统理论框架注入了新鲜血液。作者坚信，这些实验与理论成果将极大促进我们对教科书中电荷迁移概念的深入认识，使之从抽象图示走向生动现实。

此研究不仅是分子动力学领域的一次深刻探索，更为阿秒科学的发展铺设了坚实的基石，预示着未来在理论创新与实际应用方面无尽的潜力与可能。

Aistana