基于分子和分子体系的量子调控

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1、项目名称：基于分子和分子体系的量子调控首席科学家：罗毅中国科学技术大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容主要研究内容（1）分子量子态表征、检测与调控的方法与技术：建立和发展先进的分子量子态的表征、检测与调控方法和技术，结合理论计算与模拟，实现从空间、能量、时间三个方面来对分子量子体系的时空行为和能级结构进行高分辨、高灵敏表征、检测和调控，研究分子量子态调控表征与测量的新原理与新方法。（2）分子量子态的动力学性质研究与调控：建立先进的非线性光学平台，发展有效的实验方法调控分子内部量子态，如振

2、转激发，电子态激发，振转和电子态的组合激发。研究分子内量子态简并、耦合等相干特性，以及环境对这些量子态的影响。研究不同分子量子态对分子光解，反应动力学的作用，并尝试实现分子反应过程的量子态调控。（3）外场和外环境下分子量子态的控制：设计加工并优化与电化学原位衰减全内反射红外光谱技术兼容的并具有控温、调节电解液流速及在具有不同组成的电解液之间方便快速切换等功能的红外光谱电解池。利用该技术系统地改变反应温度、电位、电极组成和结构，并实时记录电化学数据和时间分辨红外光谱。通过综合实验数据分析和数字模拟从分子水平上揭示外电场及环境对分

3、子结构，解离吸附及表面化学反应的作用，为进一步实现在外场和环境下对分子量子态调控奠定基础。（4）功能分子聚集体中的量子调控：用量子力学和分子轨道理论，探索对分子和分子聚集体的能级和量子态的调控，通过分子工程调控分子聚集体的结构及其对光电转换、非线性光学性能的影响；研究分子和分子聚集体对气体分子的存储、活化和转化；选择性和不对称催化研究；分子开关和器件的相关研究，为未来信息材料提供基础。（5）功能分子及其量子态在固体表面上的行为表征和调控：利用基于同步辐射技术的紫外光和X-射线光电子能谱、近边X-射线吸收精细结构谱、及扫描隧道谱

4、等研究以内嵌富勒烯为主的功能分子在固体表面上的化学和电子结构；利用双光子光电子能谱和同步辐射共振光电子谱技术测量电子传输过程的时间结构，探索电子传输动力学；研究光和热对功能分子的几何结构、电子结构以及性能的影响；发展表面与界面过程量子调控的同步辐射新方法和新技术，重点发展微纳光束技术对单个量子体系量子效应的调变和功能的原位表征。（6）多空间及多时间尺度的理论和计算方法：由于分子特定电子量子态的转化，激发态分子的动力学过程，分子新量子态的确定，外界环境对分子量子态的影响，以及分子在表面、界面的选择性等过程涉及多空间及多时间尺度。

5、发展有效的多空间及多时间尺度的理论和计算方法对研究这些过程有十分重要的意义。通过计算功能分子的结构和光谱，标定实验光谱和解释新的实验现象；对分子量子体系的电子结构、光谱特征、动力学特性、外场中分子空间量子态演变等进行深入研究，进一步完善分子体系的量子耗散动力学理论；发展基于第一性原理的计算方法研究分子体系中的电子和能量转移过程；发展多空间及多时间尺度的理论和计算方法，全面系统的描述外界环境对分子量子态的影响；发展新的理论方法，准确描述分子中电子弹性和非弹性输运的动力学过程。认识这些过程的本质机理，解释实验结果，并为实验提供进一

6、步的指导。二、预期目标总体目标和五年预期目标本项目的总体目标：（1）认识和掌握分子内部微观量子态相互作用和转化规律以及调控方法；发展和利用国际先进的实验动力学方法，如各种先进的光源（纳秒和飞秒激光等）及其频率扩展和脉冲剪裁方法、光谱和探测方法，扫描探针技术和能谱精确测量技术实现固体表面亚微米乃至纳米空间分辨的电子态测量，低能电子衍射、近边X-射线吸收精细结构谱和扫描隧道显微技术确定功能分子在不同固体表面的几何结构和电子结构。理解电子在界面传输的动力学特征、发挥多学科交叉、实验与理论紧密结合的优势，发展多空间及多时间尺度的理论和

7、计算方法，全面系统的描述外界环境对分子量子态的影响；发展新的理论方法，准确描述分子中电子输运的动力学过程，了解分子内部量子态间竞争和电荷、能量转移，以及量子相干导致的态简并、耦合的量子本质，功能分子在固体表面、界面的反应选择性、几何构型和电子输运动力学，通过分子工程调控分子聚集体的结构及其对光电转换、非线性光学性能的影响；研究分子和分子聚集体对气体分子的存储、活化和转化；选择性和不对称催化研究；分子开关和器件的相关研究，为未来信息材料提供基础。为构筑具有我国自主知识产权的未来信息技术的科学基础做出贡献。（2）在本项目研究领域内

8、发表高质量学术论文100余篇、申请3-5项发明专利、组织1-2次高水平的国际学术会议，依托本项目培养100余名研究生。凝聚和培养一支高素质的从事分子和分子体系量子调控的科研队伍，建立国际知名的有特色的研究基地，提升我国在这一前沿交叉领域的国际竞争能力。在基于分子和分子体系量子