01【科學(xué)背景】

在有機(jī)半導(dǎo)體材料里，激子的能量傳輸常受限于擴(kuò)散過程，效率低成了制約有機(jī)光伏器件發(fā)展的瓶頸。腔體促進(jìn)的能量轉(zhuǎn)移是在多個極化激元系統(tǒng)中能觀察到的現(xiàn)象，不管是分子間還是分子內(nèi)。不過，振動能量轉(zhuǎn)移僅在高度均勻的系統(tǒng)中得到證實(shí)。理論上，相干腔增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)移歸因于離域的極化激元波函數(shù)。非均勻性會對離域產(chǎn)生較大不利影響，進(jìn)而影響能量轉(zhuǎn)移。

在本研究中，通過結(jié)合二維紅外光譜和分子動力學(xué)模擬，研究了非均勻展寬對極化激元動力學(xué)的影響，特別是超快能量轉(zhuǎn)移和構(gòu)象交換。重要的是，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了離域標(biāo)準(zhǔn)對于克服能量無序并恢復(fù)能量轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的熊偉團(tuán)隊(duì)建立了嚴(yán)格的離域標(biāo)準(zhǔn)，要求集體耦合強(qiáng)度超過非均勻線寬的三倍，以維持極化激元的相干性。相關(guān)研究成果以“Overcoming energy disorder for cavity - enabled energy transfer in vibrational polaritons”為題，發(fā)表在國際頂級期刊Science上。

據(jù)相關(guān)講座信息，熊偉教授來自加州大學(xué)圣地亞哥分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)系，現(xiàn)任該校全職教授和Kent Wilson學(xué)者，還是美國科學(xué)促進(jìn)會會士、Sloan研究員、Coblentz獎和Journal of Physical Chemistry C講座獎獲得者。他在2006年獲得中國北京大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，隨后加入威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Martin Zanni教授的研究小組，于2011年獲得博士學(xué)位。在麥迪遜分校時，主要致力于開發(fā)新型二維振動光譜研究固態(tài)材料表面的分子。2011年加入科羅拉多大學(xué)博爾德分校，與Margaret Murnane教授和Henry Kapteyn教授合作開發(fā)用于納米粒子的超快測量和時間分辨光電子能譜的臺式XUV光源。2014年進(jìn)入加州大學(xué)圣地亞哥分校任教，其研究重點(diǎn)是使用和開發(fā)超快非線性光譜和成像工具來揭示材料的分子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)，包括極性體系的超快動力學(xué)、自組裝材料中的客體分子吸附、有機(jī)材料界面上的飛秒電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。

02【科學(xué)貢獻(xiàn)】

圖1、在非均勻和均勻極限下，2,6 - 二叔丁基苯酚（DTBP）極化激元動力學(xué)的示意圖。? 2025 Science

圖2、液體中的超快動力學(xué)。? 2025 Science

圖3、固體中的超快動力學(xué)。? 2025 Science

03【 創(chuàng)新點(diǎn)】

1、強(qiáng)調(diào)了增強(qiáng)腔場，如等離子體與光子熱點(diǎn)，以及微型化腔體積對未來極化激元系統(tǒng)設(shè)計的重要性，以利用能量轉(zhuǎn)移并實(shí)現(xiàn)化學(xué)控制。

2、液體和固體形態(tài)下的DTBP在振動強(qiáng)耦合條件下的超快交換動力學(xué)顯示，較大的非均勻線寬可能會削弱極化激元的離域并阻止速率的改變。

3、DTBP的超快構(gòu)象交換動力學(xué)通過二維紅外光譜得到廣泛研究。這種化合物能形成接近均勻極限的晶體固體，其在十二烷中的飽和溶液（液體）因存在各種氫鍵相互作用，代表了非均勻極限。該化合物可通過氫鍵的斷裂和形成或者振動能量轉(zhuǎn)移來進(jìn)行構(gòu)象轉(zhuǎn)換，為了解非均勻展寬如何影響極化激元修飾的動力學(xué)提供了理想測試平臺。

04【 科學(xué)啟迪】

本文解析液體和固體形態(tài)下的2,6 - 二叔丁基苯酚（DTBP）在振動強(qiáng)耦合條件下的超快交換動力學(xué)，表明較大的非均勻線寬可能會削弱極化激元的離域并阻止速率的改變。為克服定位并恢復(fù)腔體促進(jìn)的振動能量轉(zhuǎn)移，需通過減少能量無序或增強(qiáng)耦合強(qiáng)度來滿足更嚴(yán)格的三倍離域標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于分子系統(tǒng)中非均勻展寬的普遍性，本研究突出了增強(qiáng)腔場和微型化腔體積對未來極化激元系統(tǒng)設(shè)計的重要性，以利用能量轉(zhuǎn)移并實(shí)現(xiàn)化學(xué)控制。對于極化激元化學(xué)的合理設(shè)計，依賴于振動能量轉(zhuǎn)移的反應(yīng)是首選，因?yàn)檎駝訌?qiáng)耦合可能會通過影響振動能量轉(zhuǎn)移來改變它們的反應(yīng)路徑。進(jìn)入超強(qiáng)耦合可能是克服許多系統(tǒng)中能量無序?qū)е碌亩ㄎ凰匦璧?，這需要超越Tavis - Cummings模型的理論方法，如Pauli - Fierz哈密頓量。

更廣泛地說，利用腔場來減輕由能量無序引起的定位，或者更一般地說，缺陷的概念可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出化學(xué)領(lǐng)域，對光物理、光生物學(xué)和材料科學(xué)都有影響。除能量轉(zhuǎn)移外，其他集體現(xiàn)象，如極化激元傳播、空間相干性和導(dǎo)電性，也可能是離域的潛在指標(biāo)，且能從極化激元所實(shí)現(xiàn)的相干離域中受益。

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