中國科大實現分子間相干偶極耦合的實空間直接觀察

　　最近，中國科學技術大學單分子科學團隊教授董振超研究小組利用納腔等離激元增強的亞納米空間分辨的電致發光技術，在國際上首次實現在單分子水平上對分子間偶極耦合的直接成像觀察，從實空間上展示了分子間能量轉移的相干特征。該研究成果發表在3月31日的《自然》上。課題組的張楊、駱陽、張堯為論文的共同第一作者。

　　分子間的能量轉移是維系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。大量的研究表明，分子間的能量轉移可以通過分子間的偶極耦合來實現。偶極是表征分子內電荷空間分布的一個物理參量，偶極耦合是分子間庫倫相互作用的一種基本形式。直覺上人們通常認為，分子間的能量轉移應該是以遞進式的非相干傳遞來實現的，即由接受能量的分子傳送給相鄰的下一個分子。盡管不斷有新的實驗數據表明，分子間的高效能量轉移可能具有一定的相干性，但由于受空間分辨的局限，對于這種相干性的形式和特性一直缺乏直接的認識。

　　中國科大單分子科學團隊長期致力于發展將掃描隧道顯微鏡（STM）高分辨靜態表征和光學技術高靈敏動態探測相結合的聯用系統，特別是通過巧妙調控隧道結納腔等離激元的寬頻、局域與增強特性，極大地豐富了測量和調控手段，拓展了測量極限，為單分子物理化學研究提供了新的機會。近年來，他們在單分子電致發光與拉曼散射方面取得了一系列突破，例如，通過等離激元共振增強實現了分子的反常熱熒光和能量上轉換電致發光 (Nature Photonics，2010)；通過納腔等離激元雙共振調控，實現了亞納米空間分辨的單分子拉曼光譜成像 (Nature，2013；Nature Nanotechnology，2015)。納腔等離激元調控和STM操縱技術的精妙結合，也是實現分子間相干偶極耦合的實空間直接觀察的關鍵。通過人工構筑鋅酞菁染料分子的二聚體結構，他們對不同激子能態的偶極耦合模式分別進行了亞納米空間分辨的電致熒光成像。他們發現，局域電子的激發能量迅速被整個分子二聚體所共有，構成了一個單激子量子糾纏體系，而且不同的偶極耦合能態的光子成像圖案具有類似σ或π成鍵反鍵軌道的空間分布特征。這些空間特征不僅反映了分子二聚體的局域光學響應特性，而且還直觀地揭示了分子二聚體中各個單體躍遷偶極之間的相干耦合方向和相位信息。

　　以二聚體糾纏體系獲得的認識和規律作為指導，他們還進一步構筑了多分子糾纏的人工分子鏈結構，并通過研究發光最亮的偶極耦合模式的實空間成像特征，提出了實現可調控的電致“單分子”超輻射熒光的方法。這項研究為深入理解分子體系的相干偶極耦合提供了前所未有的實空間信息，為分子捕光結構的優化以及量子糾纏光源的制備與調控提供了新的思路。

　　《自然》雜志的審稿人認為，“這項工作開辟了研究分子間相互作用的新途徑”，“對于許多研究領域——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”。《自然》在同期發表的“新聞與觀點”欄目中以《耦合分子的特寫鏡頭》為題，對這一物理化學領域的重要進展進行了專門介紹和報道。

　　上述系列研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部等單位的支持。

　　圖注：左圖為實驗的藝術渲染圖。右圖為利用亞納米分辨的光譜成像技術，對鋅酞菁染料分子二聚體的各種偶極耦合方式的實空間成像表征。