Nat. Nanotech.：通过量子相干性在供体-受体分子系统中进行波状电子能量转移

艾玉

2022-06-07

供体-受体系统中的分子间电子能量转移（EET）是一个普遍存在的光物理过程，对光合作用和光伏发电非常重要。其机理主要取决于分子间距离和分子取向。对于相对较大的距离（d大约2-10 nm）时，激发能量通过两个独立振荡跃迁偶极子之间的偶极相互作用从供体传递到受体，其过程遵循Förster共振能量转移机制（FRET）。随着分子间距离的减小，EET可能由Dexter机制主导，该机制涉及电子轨道的重叠，其速率遵循指数距离依赖关系。进一步地，在非常小的分子间距离下，分子间EET过程可以超越传统的Förster-Dexter图景，供体和受体的激发态可以相互纠缠，导致激发能量的离域和EET过程中电子相干性的发生。然而，这种电子相干性被认为在与外部热浴相互作用的有损和复杂的分子系统中非常脆弱，直到2007年，研究人员才通过二维电子光谱中的量子跳动信号报告了光收集系统中这种相干能量转移的直接证据。随后的研究也倾向于表明观察到的振荡信号与振动耦合相关。因此，在供体-受体分子系统中存在具有电子相干性的EET过程的直接实验证据仍然难以捉摸。

近日，中国科学技术大学的侯建国院士等人精确地控制了明确定义的供体-受体模型系统中的分离，并揭示了从不相干到相干电子能量转移的转变，激子可以作为量子力学波包相干地穿过整个异源二聚体。

本文要点：

1）该工作首先观测了供体-受体异源二聚体中的非相干能量转移，选用供体（铂酞菁（PtPc））到受体（锌酞菁（ZnPc））的分子间EET作为观测样本，结果表明，当d≥1.72 nm时，激发能通过酞菁分子的两个独立过渡偶极子之间的相互作用，以非相干和单向方式从PtPc转移到ZnPc的振动激发态。分子间EET过程可能遵循FRET机制，传输速率与 d^-6呈依赖关系。

2）该工作然后观测了供体-受体外源二聚体中的相干能量转移，当d<1.72 nm时，激发能量可以双向转移（即不仅从供体转移到受体，而且从受体传递回供体），这与非相干单向FRET过程不同。这表明偶极子耦合强度已达到一定程度，可击败系统耗散，以便供体和受体可以相干耦合。

3）该工作最后观测了超越二聚体的分子结构中的能量转移，为调整能量转移通道，重新设计了一个具有不同分子间距离的直角“三聚体”结构，观测结果表明，相干EET通道在一步转移过程中的效率大约是非相干通道的三倍。

Fan-Fang Kong，et al，Wavelike electronic energy transfer in donor–acceptor molecular systems through quantum coherence，Nature Nanotechnology，2022

DOI：10.1038/s41565-022-01142-z

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01142-z