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物理学家创造了一种以‘超常’速度移动粒子的电子‘弹弓’

2026-03-24 10:43阅读：

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物理学家创造了一种以‘超常’速度移动粒子的电子‘弹弓’
By Skyler Ware published 14 hours ago
Particle Physics
用一种新方法，物理学家发现了一种在一秒的一千万亿分之一内来‘弹射’ 电子跨太阳物质的方法。
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物理学家创造了一种以‘超常’速度移动粒子的电子‘弹弓’

一项新研究发现在太阳物质中的振动促进电荷在仅一秒的一千万亿分之一内转移。(Image credit: Pratyush Ghosh)
一项新研究表明分子振动能在一秒的一千万亿分之一“弹射”电子穿过太阳物质——比此前想的远更快。
按照3月5日发表于《自然通讯》期刊的研究，这些发现可能帮助科学家发现更高效的将太阳能转换成电能的方法。
该研究合著者、剑桥大学超快光谱学研究员戈什（Pratyush Ghosh）在声明中说：“我们正在效果上就像原子自身在同一时钟上一样观测电子迁移” 。
有机分子走向太阳能
有机太阳能电池用碳基分子而非硅来将阳光转化为电。理论上，有机太阳能电池以比传统太阳能电池更低成本提供那个电能，但它们是远更低效率的。
在一个典型的有机太阳能电池中，一个电子供体和一个电子受体被夹在两个导电电极之间。当光线照射电池时它生成一个“激子”，一个电子-空穴对。激子在供体和受体界面处分裂，产生电。
在单个分子振动内时间尺度上看它发生是超常的。Pratyush Ghosh, University of Cambridge researcher
为取得在界面处快速电荷转移并限制能量损耗，供体和受体分子通常有强电子耦合或它们的电子态重叠，这允许电荷能在分子间容易的移动。它们之间往往也有一个大能量差，但该差异限制来自器件可利用的电压。
在这项新研究中，研究人员观察到在有机太阳能电池中电子供体与电子受体之间的一个结处超快的电荷转移，无需满足这些约束的任一个。研究团队采用一个短激光脉冲来激发电子供体，一种叫TS-P3的聚合物，随后用另一束激光来测量在电荷转移期间系统多变化的。
该电荷转移仅在18飞秒中发生——快的就像单个分子振动一样。少数没有强驱动力的其它系统展示电荷转移在100至200飞秒上，但多数所需时间可达那个的10至1000倍。
戈什在声明中说，“在单一分子振动内这种时间尺度上看它发生是不同寻常的”。
一种“分子弹弓”
这种相似时间尺度不是一个巧合。在第二组激光实验中，研究团队发现了在聚合物供体分子中的振动发射了一个电子穿过结区到一个受体分子。当电子抵达时它触发受体分子中的重叠振动。这种重叠允许电荷转移比预期远更快发生，且无需强耦合或一个大的能量差。
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戈什在声明中说：“不是随机的漂移，而是电子以一次连贯的爆发被发射。这种振动行为就像一个分子弹弓一样——振动不只伴随整个过程，它们主动驱动它” 。
研究人员在该研究中写道，这些发现帮助解释控制电荷转移速率的过程，并为设计更高效的有机太阳能电池及材料建立新策略。
该研究的合著者、剑桥大学物理学家阿克沙伊·拉奥在声明中说，“不是试图抑制分子运动，而是我们现在能设计用它的材料——将振动从一个限制变成一个工具”。
文献来源：
Gosh，P.，Royakkers，J.，Londi，G.，Giannini，S.，Arul，R.，Gillett，A. J.，Keene，S. T.，Zelewski，S. J.，Beljonne，D.，Bronstein，H.，& Rao，A. (2026). 振动上辅助的在非富勒烯受体异质结中亚循环电荷转移（Vibronically assisted sub-cycle charge transfer at a non-fullerene acceptor heterojunction. ）。Nature Communications, 17(1). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70292-8
https://www.livescience.com/physics-mathematics/particle-physics/physicists-created-an-electron-catapult-that-moves-particles-at-extraordinary-speed

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