电子转移逼近物理极限！剑桥大学发现分子'弹射器'机制

探索宇宙奥秘 · 理性思考

一秒包含了约800亿亿个飞秒。这个数字超过了宇宙诞生以来所有小时的总和。剑桥大学的研究团队正是在这个尺度上，观察到了电子跨越分子边界的瞬间。整个过程只持续了18飞秒。

这个速度接近自然界允许的极限。更关键的是，它彻底颠覆了太阳能材料数十年的设计信条。研究人员原本搭建了一个"理论上应该很慢"的脆弱系统，电子却像被弹射器发射一样，以弹道轨迹瞬间穿越。这项发表于《自然·通讯》的研究，为下一代太阳能电池和光催化技术打开了全新的设计空间。

飞秒是光走一根头发丝直径距离所需的时间。在这种极致的微观世界里，原子本身正在剧烈振动。剑桥团队在实验中发现，电荷分离竟然与分子自身的振动周期同步完成。

研究人员刻意制造了一个"弱耦合"环境。他们将聚合物给体与非富勒烯受体并置，两者之间几乎没有能量差，电子相互作用也极为微弱。按照传统教科书的设计规则，这种构型应该导致缓慢的电荷转移。

超快激光测量揭示了背后的机制。聚合物吸收光子后，产生特定的高频振动模式。这些振动并非被动伴随电荷转移，而是主动"踢"着电子跨越边界。

这种作用被称为振动辅助的电荷转移。振动混合了电子态，产生定向的弹道运动，而非缓慢的随机扩散。电子到达受体分子后，甚至触发了新的相干振动。

戈什指出："那个相干振动是转移速度快且干净的明确指纹。终极速度不只由静态电子结构决定，它取决于分子如何振动。"这意味着研究人员可以利用特定的振动模式，将分子运动从"麻烦"转化为"工具"。

有机太阳能电池的工作原理依赖于激子解离。光照射碳基材料时，会产生电子-空穴对（激子）。要产生电流，这对粒子必须迅速分离成自由电荷。分离越快，能量损失越小。

过去几十年，科学家认为实现超快电荷转移必须满足两个条件：材料间存在大的能量差，以及强的电子耦合。但这会带来副作用：大能量差降低电压，强耦合增加能量损耗。这是一个困扰领域多年的效率瓶颈。

剑桥团队刻意违背这些规则，却获得了更快的转移速度。这表明，通过精确控制分子振动，可以在不牺牲电压的前提下实现超快电荷分离。这给有机光伏、光电探测器和光催化制氢设备的设计提供了一条全新路径。

中国在有机光伏和超快电荷转移研究领域已处于国际并跑位置。中科院化学所李永舫院士团队在非富勒烯受体材料设计上做出了开创性贡献，这类材料正是剑桥实验使用的关键组分。

在超快光谱学方面，中科院物理所、北京大学和浙江大学的研究团队建立了世界一流的飞秒-阿秒时间分辨测量平台。华中科技大学、华南理工大学等高校在有机太阳能电池的效率突破上持续刷新世界纪录。

不过，在"振动辅助电荷转移"这一具体机制的原位观测和理论构建上，国内相关研究相对分散。剑桥此次工作将分子动力学与量子相干效应结合，提出了"亚周期电荷转移"的新概念。中国团队需要加强在超快时间尺度下电子-声子耦合动力学的系统性研究，特别是在 Operando（工况）条件下的原位表征能力。

这项发现提示我们，下一代光电器件的设计不应只关注静态能级排列，更要关注分子振动的动态编排。当中国科学家在这一新维度上发力时，有机光伏效率的下一次突破或许就在不远处。

Pratyush Ghosh et al., Vibronically Assisted Sub-Cycle Charge Transfer at a Non-Fullerene Acceptor Heterojunction, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-70292-8

University of Cambridge, "Molecular 'catapult' fires electrons at the limits of physics," Phys.org (March 5, 2026).