艺术家对原子量子舞蹈调制的有机分子光发射特性的插图。图片来源：剑桥大学卡文迪许实验室的 Pratyush Ghosh

自从一百多年前量子力学被发现以来，人们就知道分子中的电子可以耦合到构成分子的原子的运动中。原子的运动通常被称为分子振动，就像微小的弹簧一样，经历周期性的运动。

对于这些系统中的电子来说，通过这些振动连接到臀部意味着它们也在不断运动，在十亿分之一秒的时间尺度上随着原子的曲调跳舞。但是，所有这些跳舞会导致能量损失，并限制有机分子在发光二极管（OLED）、红外传感器和荧光生物标志物等应用中的性能，这些应用用于细胞研究和标记癌细胞等疾病。

现在，使用基于激光的光谱技术的研究人员发现了能够阻止这种分子舞蹈的“新分子设计规则”。他们的研究结果发表在《自然》杂志上，揭示了关键的设计原理，可以阻止电子与原子振动的耦合，从而有效地关闭它们忙碌的舞蹈并推动分子实现无与伦比的性能。

“所有有机分子，例如在活细胞或手机屏幕内发现的有机分子，都由通过化学键相互连接的碳原子组成，”该研究的第一作者、圣约翰学院成员卡文迪什博士生Pratyush Ghosh说。

“这些化学键就像微小的振动弹簧，通常被电子感觉到，损害分子和器件的性能。然而，我们现在发现，当我们将分子的几何和电子结构限制为一些特殊的配置时，某些分子可以避免这些有害影响。

为了证明这些设计原理，科学家们设计了一系列高效的近红外发射（680-800nm）分子。在这些分子中，由振动（本质上是随着原子的曲调跳舞的电子）产生的能量损失比以前的有机分子低100倍以上。

这种对设计发光分子的新规则的理解和发展为未来开辟了一条非常有趣的轨迹，这些基本观察可以应用于工业。

“这些分子在今天也有广泛的应用。现在的任务是将我们的发现转化为更好的技术，从增强的显示器到用于生物医学成像和疾病检测的改进分子，“领导这项研究的卡文迪什实验室的Akshay Rao教授总结道。

更多信息：Akshay Rao，将激子与有机分子中的高频振动解耦，《自然》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-07246-x.www.nature.com/articles/s41586-024-07246-x

期刊信息： Nature