分子超高速摄像机阿秒光谱捕捉电子转移动力学

在自然界中，光合作用为植物和细菌提供能量;在太阳能电池板中，光伏电池将光能转化为电能。这些过程由电子运动驱动，意味着分子水平上的电荷转移。分子吸收光后电子密度的重新分布是一种非常重要的超快现象，涉及量子效应和分子动力学。

以极高的时间分辨率测量电子和电荷转移动力学的能力，不仅提供了对这些过程背后的物理机制的基本理解，而且还提供了如何设计分子的化学和结构特性来控制或增强它们的独特见解。

来自高阶谐波源或自由电子激光设备的超短紫外脉冲是启动和观察分子对光电离响应的有力工具，时间尺度从飞秒(10-15秒)到阿秒(10-18秒)。尽管这些技术取得了许多进展，但目前尚无法详细了解瞬时光电离后电子和电荷转移的初始步骤。

在《自然化学》上发表的一项研究中，米兰理工大学、马德里纳米科学高级研究中心(IMDEANanociencia)、马德里自治大学和马德里康普顿斯大学的研究人员利用阿秒极紫外脉冲对分子系统的超快动力学有了新的见解。

这项开创性的工作为供体-受体分子中电子和原子核之间的复杂相互作用提供了新的视角，极大地促进了我们对最基本层面的化学过程的理解。

通过将硝基苯胺分子暴露于阿秒脉冲，研究团队能够以前所未有的精度观察和分析电荷转移的早期阶段。这项研究采用了一系列尖端技术，包括阿秒极紫外泵浦/几飞秒红外探测光谱和先进的多体量子化学计算，以捕捉这些快速过程的动态。

电子和电荷转移过程各个步骤的精确时间信息已得到彻底解决。研究的主要发现表明，电子从电子供体氨基转移发生在不到10飞秒的时间内，由原子核和电子的同步运动驱动。

随后是松弛过程，该过程在不到30飞秒的时间范围内展开，因为核波包在分子阳离子的激发电子态中传播。这些发现为了解电子-核耦合如何影响响​​应光电离的电子供体-受体系统提供了宝贵的新见解。

本文报告的结果揭示了将电荷从电子供体单元转移到连接该单元和苯环的相邻化学键所需的时间，以及随之而来的结构变化。作者认为，这些实验和理论发现为更好地理解用于定性预测有机分子中电荷迁移的教科书图表和概念铺平了道路。

这项研究不仅揭示了分子动力学的复杂性，而且为该领域的未来研究奠定了基础，推动了阿秒科学的理论理解和实际应用。

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