分子间振动能量通过微腔强光-物质耦合传递

时间:2020-06-24 20:38 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

分子间振动能量通过微腔强光-物质耦合传递 空腔光子模式与施主/受主分子之间的强耦合可以形成极化子(由光子与电偶极子强耦合而成的混合粒子),以促进液相分子间的选择性振动能量转移。这一过程通常是艰巨的,并受到微弱的分子间作用力的阻碍。在最近发表在《科学》杂志上的一份新报告中,Bo Xiang和一组来自美国加州大学圣地亚哥分校材料科学、工程和生物化学领域的科学家报告了一项最先进的战略,来设计强光-物质耦合。Xiang等人利用泵-探针和二维(2-D)红外光谱发现腔模式中的强耦合增强了两个溶质分子的振动能量转移。研究小组通过增加腔寿命来增加能量转移,这表明能量转移过程是一个极化过程。这一振动能量传递途径将为远程化学、振动激元凝聚和传感机制的应用开辟新的方向。 振动能量传递是一个从化学催化到生物信号转导和分子识别的普遍过程。由于分子间力较弱,从溶液到溶质的选择性分子间振动能量转移(VET)相对较少。因此,在分子内振动再分配(IVR)的存在下,分子间的相互作用常常是不清楚的。在这项工作中,Xiang等人详细介绍了一种最先进的方法,通过强光与物质耦合来设计分子间的振动相互作用。为了实现这一目标,他们将高度浓缩的分子样品插入光学微腔或放置在等离子体纳米结构上。在这个装置中,限制的电磁模式然后可逆地与混合光物质态的宏观分子振动极化相互作用,这种混合光物质态称为振动极化激元。当科学家们在强光与物质耦合的条件下研究这一现象时,分子间的相互作用机制似乎与之前建立的机制不同。由于在缩聚相中很少发生选择性分子间相互作用,它的极化子对手引入了一个强大的概念,能够改变溶液中的基态化学过程。 分子间振动能量通过微腔强光-物质耦合传递 Xiang等人随后设计了一个包含微腔和来自不同分子的两种振动模式的集合体的强耦合系统来研究腔辅助分子间兽医。为此,他们选择了理想的分子,这些分子具有简并非对称拉伸模式、高振子强度和窄谱线宽的振动强耦合。在每个分子子系统中,光物质耦合常数(g)与吸收剂浓度的平方根(√C)成正比。给定足够大的浓度,每个分子子系统都满足光与物质耦合常数(g)在振动模和空腔模的半最大值处大于全宽度的条件。 结果,振动模和空腔模(也称为基模)杂化并形成了新的正态模,如上、中、下极化子(UP、MP、LP)。每个极子包含基模的叠加。科学家可以通过改变共振频率来控制极化激元的共振频率和组成。这一信息对于理解强耦合允许分子间振动能量转移的能力至关重要。 对于这两个实验分子,Xiang等人使用了钨的六羰基;W(CO)6和W(13CO)6在法布里-珀罗光学微腔内的溶剂中。利用二维红外光谱(2d IR),科学家们展示了从W(CO)6到W(13CO)6的振动能量转移,并比较了微腔内外混合物的二维红外光谱。裸W(CO)6/W(13CO)6混合物的二维红外光谱证实了振动模式之间不存在能量传递。相比之下,强耦合的W(CO)6 /W(13CO)6体系出现了几个交叉峰,表明空洞诱导的分子间相关性。进一步的跃迁为W(CO)6和W(13CO)6储层模式的种群动态提供了一个窗口。 分子间振动能量通过微腔强光-物质耦合传递 随后,研究小组利用泵浦探针光谱研究了超快电动力学,并研究了仅激发上极化子(UP)种群时的兽医动力学。十字架的强度峰值对应于上、下极化声子(表示WUP和巨头)增加时间常数为5.7±0.6 ps。相比之下,直接放松上极化声子W (CO) 6发生速度远远超过振动能量传递与一生的1.5±0.3 ps。实验条件隐含能源“泄漏”W (CO) 6模式的W (CO) 13日6模式。 该团队随后进行了实验,以确认腔模的重要性,以促进极化子的审查,通过增加腔的厚度,并注意到振动能量转移的效率随着厚度的增加而增加。由于更厚的腔具有更长的寿命,这种依赖关系表明,在W(13CO)6模式下收集的上极化子能量中有更大的一部分是由于缓慢的光子泄漏导致的极化子衰变。这一特性意味着分子间的振动能量转移涉及到极化中间态。 分子间振动能量通过微腔强光-物质耦合传递 与在有机微腔中进行的测量相比,这项工作的弛豫动力学是由以前未探索的机制决定的,需要进一步研究。Xiang等人预计可能的机制包括偏振子介导的散射和偏振子与其他暗模式的相互作用。该团队打算将报道的概念扩展到极化电子激活的分子间振动能量传输(VET),以选择性地促进或抑制振动能量传输通道。所述方法对于其他实际应用,包括红外极化激元凝聚、远端能量转移和空腔化学等都具有重要意义。 ?2020 Science X Network
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