来源：横滨国立大学（Yokohama National University）；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 余静雯 编译

    横滨国立大学（Yokohama National University）的科学家们与日本理化学研究所（RIKEN）以及日本和韩国的其他机构合作，在分子中电子的运动和行为方面取得了重要发现。这一发现有望推动电子学、能量传递和化学反应领域的进步。

    他们的研究发表在《科学》杂志上，这项研究揭示了一种利用太赫兹范围内的超快相位控制光脉冲来控制分子中电子分布的新方法。

    原子和分子中含有带负电的电子，这些电子通常停留在带正电的原子核周围的特定能级上，就像分层一样。这些电子在分子中排布的方式决定了分子的行为。

    这种排列方式影响着许多重要过程，如光的发射、电荷在分子间的移动以及化学反应的发生。举个例子，当光击中电子并为其提供足够的能量时，电子会跃迁到更高的能级，留下一个带正电的“空穴”。这就形成了一个激子——分子中一个可以发射光的微小能量包。

    这一过程对于诸如太阳能电池等的技术至关重要，激子帮助将太阳光转化为电能；再比如在LED中，激子则以光的形式释放能量。

    然而，分子还可以存在于其他重要的状态中，如带电状态和带电激发态。带电状态发生在分子获得或失去电子时，而带电激发态则涉及电荷变化以及电子处于更高能级的情况。

    这些状态对许多过程都很重要，但使用传统技术很难控制这些状态，尤其是在超快时间尺度上。通常，可见光谱中的光无法提供足够的能量来改变分子的电荷，因此无法改变分子中的电子数量。

    为了克服这一挑战，研究人员使用了太赫兹光脉冲，这是一种频率远低于可见光的光。这些脉冲使电子在分子和一种能够操纵单个分子的特殊显微镜的金属尖端之间移动，从而使研究团队能够从分子中移除一个电子或向分子中添加一个电子。

    这种新方法不仅提供了一种快速且精确的方式控制激子，还可以用来控制其他对化学反应、能量传递和许多其他过程至关重要的分子状态。

    研究团队还展示了太赫兹光（人眼不可见的光）可以在分子内转化为可见光，揭示了一种通过分子能量变化将一种光转化为另一种光的新方法。

    横滨国立大学工程学院的教授、该研究的通讯作者片山郁金文（Ikufumi Katayama）说道。“虽然激子通常在材料吸收光时形成，但我们的研究结果表明，通过使用这些特殊设计的太赫兹脉冲，激子也可以通过带电状态产生，”

    “这为控制电荷在分子内的移动开辟了新的可能性，可能带来更好的太阳能电池、更小的光基器件以及更快的电子设备。”

    该团队的主要成就是能够在单分子水平上控制激子的形成。横滨国立大学工程学院的另一位通讯作者武田淳（Jun Takeda）教授解释说：“通过精确控制电子在单个分子和特殊显微镜的金属尖端之间的移动，我们能够引导激子的形成以及随之发生的化学反应。”

    “这些过程通常是随机发生的，但通过太赫兹脉冲，我们可以精确决定分子水平上的反应发生的时间和方式。这可能会在纳米技术、先进材料以及更高效的能源和工业催化剂方面带来突破。”

    More information: Kensuke Kimura et al, Ultrafast on-demand exciton formation in a single-molecule junction by tailored terahertz pulses, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads2776. www.science.org/doi/10.1126/science.ads2776