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文｜陳根

電荷轉(zhuǎn)移又稱電荷交換，是正離子與中性原子碰撞時發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移過程。這時，正離子將俘獲原子中的一個價電子而成為原子；原子則因失去一個價電子而成為正離子。荷轉(zhuǎn)過程屬于第二類非彈性碰撞過程，在碰撞中，碰撞粒子的勢能從一方轉(zhuǎn)移到另一方。

固體與分子界面是研究太陽能轉(zhuǎn)化過程中重要的體系之一，界面的光會激發(fā)載流子動力，這是決定太陽能轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵性因素之一。在光催化、光伏等典型的太陽能轉(zhuǎn)化過程中，光激發(fā)會在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電子空穴對，激發(fā)態(tài)載流子再通過固體—分子界面轉(zhuǎn)移到分子上。

在許多固體－分子界面，分子之間也會形成復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，質(zhì)子常常會在這樣的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)移。因此，固體－分子界面的電荷轉(zhuǎn)移常常與質(zhì)子的運動耦合在一起。這就導(dǎo)致科學(xué)家不僅需要理解電子的動力學(xué)行為，還需要考慮其與質(zhì)子的耦合。另外，在氫鍵網(wǎng)絡(luò)中運動的質(zhì)子，其本身的核量子效應(yīng)也不能忽略。

近日，中科大研究人員將“非絕熱分子動力學(xué)（NAMD）”與“路徑積分分子動力學(xué)（PIMD）”相結(jié)合，突破性解決了這一難題。他們發(fā)現(xiàn)固體－分子界面的超快電荷轉(zhuǎn)移與質(zhì)子的量子動力學(xué)具有很強的耦合，由此揭示了電荷轉(zhuǎn)移過程中核量子效應(yīng)的重要作用。

具體來說，科學(xué)家們基于路徑積分理論的環(huán)－聚合分子動力學(xué)（RPMD）方法來處理核量子效應(yīng)。在該方案基礎(chǔ)上，團隊觀察了CH3OH／TiO2（甲醇／二氧化鈦）界面的空穴轉(zhuǎn)移動力學(xué)過程。發(fā)現(xiàn)當吸附在二氧化鈦表面的甲醇形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，質(zhì)子會在網(wǎng)絡(luò)中頻繁轉(zhuǎn)移，而且這些質(zhì)子運動具有明顯的量子化行為。

在使用掃描隧道顯微鏡（STM）過程中中，科學(xué)家們找到了相關(guān)證據(jù)，證實了吸附的甲醇分子會由于質(zhì)子的量子化運動激發(fā)態(tài)空穴的捕獲能力，進而提升光化學(xué)反應(yīng)的效率。

目前，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在了《科學(xué)進展》Science Advances上。

       原文標題 : 陳根：新進展——我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)重要核量子效應(yīng)