平息原子的量子舞蹈

剑桥大学的研究人员发现了一种停止碳基有机分子中电子所“看到”的原子量子舞蹈的方法。这一发现将有助于改善显示器和生物医学成像中使用的发光分子的性能。

自100多年前量子力学的发现以来，人们就已经知道分子中的电子可以与构成分子的原子的运动相耦合。通常被称为分子振动，原子的运动就像小弹簧一样，进行周期性运动。对于这些系统中的电子来说，与这些振动相结合意味着它们也在不断运动，跟着原子舞蹈，时间尺度为百万亿分之一秒。但所有这些周围的舞蹈会导致能量损失，并限制有机分子在发光二极管（OLED）、红外传感器和用于细胞研究和标记癌细胞等疾病的荧光生物标记物等应用中的性能。

现在，研究人员利用基于激光的光谱技术发现了“新的分子设计规则”，能够阻止这种分子舞蹈。他们在《自然》杂志上报告的结果揭示了关键的设计原则，可以阻止电子与原子振动的耦合，从而使分子的繁忙舞蹈停下来，推动分子实现无与伦比的性能。

该研究的第一作者、圣约翰学院的卡文迪许博士生Pratyush Ghosh表示：“所有有机分子，比如生物细胞中发现的或手机屏幕内的分子，都是由碳原子通过化学键连接在一起的。”“这些化学键就像微小的振动弹簧，通常会被电子感知到，损害了分子和设备的性能。然而，我们现在发现某些分子在我们将分子的几何和电子结构限制到特殊配置时可以避免这些有害效应。”

为了证明这些设计原则，科学家们设计了一系列高效的近红外发射（680-800纳米）分子。在这些分子中，由于振动引起的能量损失--本质上是电子随原子舞蹈--比先前有机分子低了100倍以上。

对发光分子设计原则的理解和发展，为未来开辟了非常有趣的轨迹，这些基本观察可以应用到工业中。

“这些分子今天还有各种应用。现在的任务是将我们的发现转化为更好的技术，从增强显示器到改进的生物医学成像和疾病检测分子，”领导这项研究的卡文迪许实验室的Akshay Rao教授总结道。