研究人员已解锁了一种用太赫兹光操控分子中电子的新方法，为更快速的电子产品、高效的太阳能电池以及下一代材料铺平了道路。

他们的工作揭示了一种在原子层面精确控制激子和电荷运动的方法，为能源和化学技术带来了重大进展。

运动中的电子：一项突破性发现

横滨国立大学的研究人员与日本理化研究所 (RIKEN) 以及韩国其他机构合作，在理解电子如何在分子内移动和相互作用方面取得了重大突破。他们的研究成果于今日（3月6日）发表于《科学》杂志，有望推动电子学、能量转移和化学反应领域的发展。研究人员发现了一种新方法，可利用超快、相位可控的太赫兹光脉冲控制分子中的电子分布。

电子带负电荷，通常占据原子和分子内部特定的能级，在带正电荷的原子核周围形成结构层。这些电子的排列方式决定了分子的行为，影响着光发射、电荷转移和化学反应等关键过程。

例如，当光为电子提供足够能量时，电子会跃迁到更高的能级，留下一个带正电的“空穴”。电子和空穴结合在一起，形成激子——一种可以发光的小能量包。激子在太阳能电池和发光二极管（LED）等技术中发挥着至关重要的作用，在太阳能电池中，激子有助于将阳光转化为电能；在LED中，激子以可见光的形式释放能量。

控制电荷态的挑战

然而，分子还可能以其他重要的状态存在，如带电状态和带电激发态。分子在获得或失去一个电子时会产生带电状态，而带电激发态则涉及电荷变化以及高能级的电子。

这些对于许多过程而言都至关重要，但使用传统技术很难控制这些状态，尤其是在超快时间尺度上。通常，可见光谱中的光无法提供足够的能量来改变分子的电荷，因此无法改变其中的电子数量。

利用太赫兹光进行精确控制

为了克服这一挑战，研究人员使用了太赫兹光脉冲，这是一种频率远低于可见光的光。这些光脉冲使电子在分子与一种能够操控单个分子的专业显微镜的金属尖端之间移动，从而使研究团队能够向分子中去除或添加一个电子。

这种新方法不仅提供了一种快速而精确的控制激子的途径，而且还提供了一种控制对化学反应、能量传递等许多过程至关重要的其他重要分子态的途径。

该团队还证实，人眼无法看见的太赫兹光可以在分子内转化为可见光，从而揭示了一种通过分子能量变化将一种光转化为另一种光的新方法。

将不可见光转化为强大工具

横滨国立大学工程学院的本研究通讯作者池山育史教授表示：“激子通常是在材料吸收光时形成的，而我们的研究结果显示，利用这些特制的太赫兹脉冲，激子也可通过带电状态产生。”

“这为控制电荷在分子内的移动方式开辟了新的可能性，从而可能带来性能更佳的太阳能电池、体积更小的光电器件以及运行速度更快的电子设备。”

纳米技术和能量传输的新时代

该团队的主要成果是在单分子层面控制激子形成的能力。

来自横滨国立大学工程学院的另一位通讯作者竹田纯（Jun Takeda）教授解释说：“通过精确控制单个分子与专用显微镜金属尖端之间电子的移动方式，我们能够引导激子的形成以及随后的化学反应。

“这些过程通常是随机发生的，但利用太赫兹脉冲，我们可以准确确定分子层面反应发生的时间和方式。这可能会在纳米技术、先进材料以及能源和工业领域的高效催化剂方面取得突破。”

参考文献：《通过定制的太赫兹脉冲在单分子结中超快速按需形成激子》，作者：木村健介、玉置凉、李明慧、欧阳星梅、日下部聪、拉斐尔·B·雅库比亚、河田洋一、郑在雄、村中敦哉、今田裕之、片山育史、武田淳、金佑洙，发表于2025年3月6日，《科学》杂志。数字对象唯一标识符：10.1126/science.ads2776

其他共同研究者包括：木村健介（理化研究所）、田崎亮（横滨国立大学、神奈川科学技术研究院）、李敏慧（理化研究所、东京大学）、欧阳星梅（理化研究所）、日下部聪（横滨国立大学）、拉斐尔·B·雅库比亚（理化研究所、基础科学研究所）、河田洋一（滨松光子株式会社）、郑在洪（蔚山大学）、村中敦哉（理化研究所）、今田裕史（理化研究所、光州科学技术研究院）以及金佑洙（理化研究所、东京大学、基础科学研究所、光州科学技术研究院）。