一、 【科学背景】
在有机半导体材料中，激子（exciton）的能量传输通常受限于扩散过程，效率低下成为制约有机光伏器件发展的瓶颈。腔体促进的能量转移是一种在多个极化激元系统中观察到的现象，无论是在分子间还是分子内。值得研究的一点是，振动能量转移（VET）仅在高度均匀的系统中得到证实。从理论上讲，相干腔增强能量转移归因于离域的极化激元波函数。非均匀性被认为会对离域产生较大的不利影响，进而影响能量转移。在本研究中，通过结合二维红外光谱（2D IR）和分子动力学（MD）模拟，研究了非均匀展宽对极化激元动力学的影响——特别是超快能量转移和构象交换。至关重要的是，通过实验验证了离域标准对于克服能量无序并恢复能量转移至关重要。在此，美国加州大学圣地亚哥分校的熊伟团队，建立了一个严格的离域标准，要求集体耦合强度超过非均匀线宽的三倍，以维持极化激元的相干性。相关研究成果以“Overcoming energy disorder for cavity- enabled energy transfer in vibrational polaritons”为题目，发表在国际顶级期刊Science上。
二、【科学贡献】
图1在非均匀和均匀极限下，2,6-二叔丁基苯酚（DTBP）极化激元动力学的示意图。© 2025 Science
图2 液体中的超快动力学。© 2025 Science
图3 固体中的超快动力学。© 2025 Science
三、【 创新点】
1. 突出了增强腔场，例如等离子体与光子热点，和微型化腔体积对于未来极化激元系统设计的重要性，以利用能量转移并实现化学控制。
2. 在液体和固体形态下的DTBP在振动强耦合条件下的超快交换动力学，表明较大的非均匀线宽可能会削弱极化激元的离域并阻止速率的改变。
3. DTBP其超快的构象交换动力学通过二维红外光谱得到了广泛的研究。这种化合物可以形成接近均匀极限的晶体固体，而其在十二烷中的饱和溶液（液体）由于存在各种氢键（H键）相互作用，代表了非均匀极限。该化合物可以通过氢键的断裂和形成或者振动能量转移（VET）来进行构象转换。因此，它提供了一个理想的测试平台，以了解非均匀展宽是如何影响极化激元修饰的动力学的。
四、【 科学启迪】
本文通过解析液体和固体形态下的2,6-二叔丁基苯酚（DTBP）在振动强耦合（VSC）条件下的超快交换动力学，表明，较大的非均匀线宽可能会削弱极化激元的离域并阻止速率的改变。为了克服定位并恢复腔体促进的振动能量转移（VET），需要通过减少能量无序或增强耦合强度来满足更为严格的三倍离域标准。鉴于分子系统中非均匀展宽的普遍性，本研究突出了增强腔场（例如等离子体和光子热点）和微型化腔体积对于未来极化激元系统设计的重要性，以利用能量转移并实现化学控制。对于极化激元化学的合理设计，依赖于VET的反应是首选，因为VSC可能会通过影响VET来改变它们的反应路径。值得注意的是，进入超强耦合可能是克服许多系统中能量无序导致的定位所必需的，这需要超越Tavis-Cummings模型的理论方法，例如Pauli-Fierz哈密顿量。更广泛地说，利用腔场来减轻由能量无序引起的定位，或者更一般地说，缺陷的概念可能远远超出化学领域，对光物理、光生物学和材料科学都有影响。除了能量转移之外，其他集体现象，如极化激元传播、空间相干性和导电性，也可能是离域的潜在指标，并且可以从极化激元所实现的相干离域中受益。
原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx3137
