超快激光光谱技术揭示单线态裂变新机制

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康奈尔大学（2024USNews美国大学排名：12）领导的研究团队通过超快激光光谱技术研究了单线态裂变过程中的关键中间态，发现某些分子可以通过一种非常简单的技术直接生成这种中间态。单线态裂变是指有机分子吸收一个光子后，将光能分裂成两个电子的过程，这种效应有望提高太阳能电池的光收集效率。研究团队发现，在某些分子中，可以直接生成三重态对状态，而无需先激发单线态。这一发现颠覆了自20世纪60年代以来的传统观点，即必须先激发一个电子，然后再松弛生成两个电子。研究团队的论文《纠缠三重态对状态的相干光激发》发表在《自然化学》杂志上。研究团队设计并建造了自己的超快视频摄像机，以观察光子被吸收时发生的快速过程，并发现了直接生成三重态对状态的分子设计规则。研究表明，对称电荷共振状态是实现这一现象的关键因素。通过分子设计，研究人员能够直接从基态光激发中间三重态对，这不仅对太阳能电池有益，还可以用于量子信息科学和量子计算。研究得到了康奈尔大学艺术与科学学院新前沿计划、康奈尔阿特金森可持续发展中心、韩国国家研究基金会、阿尔弗雷德·P·斯隆基金会、美国能源部和国家科学基金会的支持。

超快激光光谱技术在单线态裂变研究中的应用

康奈尔大学的研究团队通过使用超快激光光谱技术，研究了单线态裂变过程中一个关键的中间态——三重态对状态，发现某些分子可以通过一种非常简单的技术直接生成这个中间态，从而实现无需单线态的单线态裂变。这一发现有望显著提高太阳能电池的光能收集效率。研究团队设计并建造了自己的超快视频摄像机，以观察光子被吸收时发生的快速过程，并成功检测到三重态对状态的直接生成。通过研究不同分子的行为，研究人员提取了一些设计规则，使这种现象得以发生。研究表明，对称电荷共振状态是实现这一现象的“魔法”成分，这是一种量子力学特性，使得交换电子的分子相互作用更强。该研究不仅对太阳能电池有益，还可能在量子信息科学和量子计算领域有应用潜力。

某些分子中三重态对状态的直接生成

本文介绍了一系列树状大分子，用于研究多激子生成和衰减的动力学。树状大分子（第1至第4代）由三羟甲基丙烷核心和2,2-双（羟甲基）丙酸（bis-MPA）树枝体组成，树枝体提供了分支的指数增长，形成了以五苯（用于单线态裂变，SF）或蒽（用于三线态融合上转换，TTA-UC）装饰的冠层。研究发现，随着树状大分子的代数增加，出现了一些高度有序的位点，这些位点主导了多激子动力学。光谱和瞬态吸收光谱表明，树状结构在最大树状大分子中以低湮灭剂浓度增强了TTA-UC，而成对的发色团相互作用导致了宽化和红移的激基缔合物发射。在高代SF树状大分子中，三线态动力学越来越多地由表现出强耦合（II型）的成对位点主导，这些位点可以通过其光谱动力学和衰减动力学与耦合较弱的位点（I型）区分开来。研究表明，树状大分子提供了一个有效的框架，用于研究多发色团系统中的基本多激子动力学。通过设计两类不同的聚酯树状大分子，研究了发色团之间的相互作用如何影响多激子生成和衰减的动力学。结果表明，随着树状大分子的代数增加，发色团之间的耦合增强，导致多激子动力学的显著变化。

单线态裂变对太阳能电池效率的影响

麻省理工学院（MIT）和弗吉尼亚大学的研究人员计划使用苯并烯开发所谓的单线态裂变太阳能电池。苯并烯是具有独特光电特性的苯分子。单线态裂变太阳能电池可以通过一个光子产生两个电子，从而提高电池效率。这一过程通过量子力学过程实现，其中一个单线态激子（电子-空穴对）分裂成两个三线态激子。研究团队开发了一种新的合成方法，通过向已经掺杂了硼和氮的苯并烯中添加碳二卡宾配体来稳定苯并烯。尽管这些化合物在暴露于空气或光线时不稳定，但新的配体使苯并烯带正电荷，从而提高了其稳定性并赋予其独特的电子特性。研究人员还发现，稳定后的苯并烯可以发出不同颜色的光，包括红色、橙色、黄色、绿色和蓝色。尽管目前还处于开发特定应用的早期阶段，但由于其稳定性，设备制造应该比传统化合物更顺利。潜在应用包括有机半导体、发光设备和基于单线态裂变的太阳能电池。研究结果发表在《自然化学》杂志上。

对称电荷共振状态在单线态裂变中的作用

对称电荷共振状态在单线态裂变中的作用是实现这一现象的关键因素。对称电荷共振状态是一种量子力学特性，使得交换电子的分子相互作用更强。这种状态的存在使得某些分子能够直接从基态光激发中间三重态对，而无需先激发单线态。这一发现不仅对太阳能电池有益，还可以用于量子信息科学和量子计算。通过分子设计，研究人员能够直接从基态光激发中间三重态对，这不仅对太阳能电池有益，还可以用于量子信息科学和量子计算。

结论

康奈尔大学领导的研究团队通过超快激光光谱技术研究了单线态裂变过程中的关键中间态，发现某些分子可以通过一种非常简单的技术直接生成这种中间态。这一发现颠覆了自20世纪60年代以来的传统观点，即必须先激发一个电子，然后再松弛生成两个电子。研究团队的论文《纠缠三重态对状态的相干光激发》发表在《自然化学》杂志上。研究团队设计并建造了自己的超快视频摄像机，以观察光子被吸收时发生的快速过程，并发现了直接生成三重态对状态的分子设计规则。研究表明，对称电荷共振状态是实现这一现象的关键因素。通过分子设计，研究人员能够直接从基态光激发中间三重态对，这不仅对太阳能电池有益，还可以用于量子信息科学和量子计算。研究得到了康奈尔大学艺术与科学学院新前沿计划、康奈尔阿特金森可持续发展中心、韩国国家研究基金会、阿尔弗雷德·P·斯隆基金会、美国能源部和国家科学基金会的支持。