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研究揭示电荷转移中核量子效应的重要作用

发布时间： 2022-07-11

       作者：王敏

       中国科学技术大学物理学院教授赵瑾研究团队与教授王兵、谭世倞以及北京大学教授李新征合作，发现固体-分子界面的超快电荷转移与质子的量子动力学具有很强的耦合，揭示了电荷转移过程中核量子效应的重要作用。研究结果日前发表于《科学进展》。

       固体与分子界面是研究太阳能转化过程最重要的原型体系之一，界面的光激发载流子动力学是决定太阳能转化效率的决定性因素之一。

       在光催化、光伏等典型的太阳能转化过程中，光激发在半导体材料中产生电子空穴对，这些激发态载流子再通过固体-分子界面转移到分子上。在许多的固体-分子界面，分子之间会形成复杂的氢键网络，而质子可以在氢键网络中转移。因此，固体-分子界面的电荷转移常常与质子的运动耦合在一起。

       在这样的过程中，人们面对的是一个复杂量子体系，不仅需要理解电子的动力学行为，还需要考虑其与质子的耦合，而在氢键网络中运动的质子，本身的核量子效应也不能忽略，这成为该领域内尚未解决的复杂问题。

       赵瑾团队与李新征团队合作，将第一性原理计算领域内两种前沿的计算方法-“非绝热分子动力学”与“路径积分分子动力学”相结合，解决了这一难题。他们使用非绝热分子动力学处理电子动力学部分，并用基于路径积分理论的Ring-polymer分子动力学方法处理核量子效应。

       用这种方案，团队研究了甲醇/二氧化钛界面的空穴转移动力学过程，发现当吸附在二氧化钛表面的甲醇形成氢键网络，质子会在网络中频繁转移，这些质子的运动具有明显的量子化行为，而吸附的甲醇分子对激发态空穴的捕获能力由于质子的量子化运动而显著提升，从而提升光化学反应的效率。

       研究揭示了分子-固体界面超快电荷转移过程中氢键网络的形成与核量子效应的重要作用，也为利用第一性原理计算研究核量子动力学与电子动力学的耦合提供新工具。

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