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為分子能量傳遞「拍照」實驗藝術渲染圖。本網安徽傳真。 【文匯網訊】(記者趙臣、通訊員范瓊合肥報道)中國科學技術大學單分子科學團隊的董振超研究小組，日前利用精心設計的局域電場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」。國際權威學術期刊《自然》雜誌於3月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」為題進行特別報道。
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。從分子水平瞭解分子間能量轉移的形式和特徵，對瞭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。
人們直覺上通常認為，分子間的能量傳遞就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。但最新的一些實驗表明，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佈的一個物理參量，偶極耦合是指分子間電磁力的相互作用。在此之前，由於傳統光學成像技術的空間分辨精度的局限，科學界對分子偶極耦合的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於發展將掃瞄隧道顯微鏡(STM)高分辨靜態表徵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局限在一個納米腔室內的電場的頻率和強度，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可能性。
「局域電場的共振增強調控和STM操縱技術的巧妙結合，使我們得以直接觀察分子間相干能量傳遞的奧秘。」董振超介紹說，他們操縱掃瞄隧道顯微鏡的針尖，構築出兩個鋅酞青分子的二聚體結構，並通過採用電子激發發光方式，對該結構不同能量狀態的偶極耦合模式分別進行了亞納米空間分辨的電致發光成像。他們發現，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，他們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。
這項研究為深入理解分子間能量傳遞提供了前所未有的空間信息，也為研製高效的捕光結構和量子糾纏光源提供了新的思路。《自然》雜誌的審稿人認為，「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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