電子轉移逼近物理極限！劍橋大學發現分子'彈射器'機制

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一秒包含了約800億億個飛秒。這個數字超過了宇宙誕生以來所有小時的總和。劍橋大學的研究團隊正是在這個尺度上，觀察到了電子跨越分子邊界的瞬間。整個過程只持續了18飛秒。

這個速度接近自然界允許的極限。更關鍵的是，它徹底顛覆了太陽能材料數十年的設計信條。研究人員原本搭建了一個"理論上應該很慢"的脆弱系統，電子卻像被彈射器發射一樣，以彈道軌跡瞬間穿越。這項發表于《自然·通訊》的研究，為下一代太陽能電池和光催化技術打開了全新的設計空間。

飛秒是光走一根頭發絲直徑距離所需的時間。在這種極致的微觀世界里，原子本身正在劇烈振動。劍橋團隊在實驗中發現，電荷分離竟然與分子自身的振動周期同步完成。

研究人員刻意制造了一個"弱耦合"環境。他們將聚合物給體與非富勒烯受體并置，兩者之間幾乎沒有能量差，電子相互作用也極為微弱。按照傳統教科書的設計規則，這種構型應該導致緩慢的電荷轉移。

超快激光測量揭示了背后的機制。聚合物吸收光子后，產生特定的高頻振動模式。這些振動并非被動伴隨電荷轉移，而是主動"踢"著電子跨越邊界。

這種作用被稱為振動輔助的電荷轉移。振動混合了電子態，產生定向的彈道運動，而非緩慢的隨機擴散。電子到達受體分子后，甚至觸發了新的相干振動。

戈什指出："那個相干振動是轉移速度快且干凈的明確指紋。終極速度不只由靜態電子結構決定，它取決于分子如何振動。"這意味著研究人員可以利用特定的振動模式，將分子運動從"麻煩"轉化為"工具"。

有機太陽能電池的工作原理依賴于激子解離。光照射碳基材料時，會產生電子-空穴對（激子）。要產生電流，這對粒子必須迅速分離成自由電荷。分離越快，能量損失越小。

過去幾十年，科學家認為實現超快電荷轉移必須滿足兩個條件：材料間存在大的能量差，以及強的電子耦合。但這會帶來副作用：大能量差降低電壓，強耦合增加能量損耗。這是一個困擾領域多年的效率瓶頸。

劍橋團隊刻意違背這些規則，卻獲得了更快的轉移速度。這表明，通過精確控制分子振動，可以在不犧牲電壓的前提下實現超快電荷分離。這給有機光伏、光電探測器和光催化制氫設備的設計提供了一條全新路徑。

中國在有機光伏和超快電荷轉移研究領域已處于國際并跑位置。中科院化學所李永舫院士團隊在非富勒烯受體材料設計上做出了開創性貢獻，這類材料正是劍橋實驗使用的關鍵組分。

在超快光譜學方面，中科院物理所、北京大學和浙江大學的研究團隊建立了世界一流的飛秒-阿秒時間分辨測量平臺。華中科技大學、華南理工大學等高校在有機太陽能電池的效率突破上持續刷新世界紀錄。

不過，在"振動輔助電荷轉移"這一具體機制的原位觀測和理論構建上，國內相關研究相對分散。劍橋此次工作將分子動力學與量子相干效應結合，提出了"亞周期電荷轉移"的新概念。中國團隊需要加強在超快時間尺度下電子-聲子耦合動力學的系統性研究，特別是在 Operando（工況）條件下的原位表征能力。

這項發現提示我們，下一代光電器件的設計不應只關注靜態能級排列，更要關注分子振動的動態編排。當中國科學家在這一新維度上發力時，有機光伏效率的下一次突破或許就在不遠處。

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).