編輯總結
太赫茲（THz）掃描隧道顯微鏡（STM）是一項前沿技術，能夠通過THz脈沖產生的電場，在亞皮秒時間尺度上操控隧道電子。近年來，THz-STM已被用于研究固體表面上由電荷轉移引起的超快納米尺度動力學。然而，提升時空分辨率仍然面臨許多挑戰。本研究成功展示了通過調節THz脈沖的波形，超快操控金屬支撐的超薄絕緣膜上的單分子酞菁分子中的激子形成。該實驗平臺為以單分子精度研究激子動力學提供了有前景的方向?！猋ury Suleymanov
研究背景
研究發現，單分子水平上能量轉換和化學反應的實時控制對于表征和控制分子動力學來說至關重要。針對這一問題，日本理化學研究所Hiroshi Imada，Yousoo Kim團隊Jun Takeda、Kensuke Kimura以及橫濱國立大學Ikufumi Katayama等團隊攜手在Science期刊上發表了題為“Ultrafast on-demand exciton formation in a single-molecule junction by tailored terahertz pulses”的最新論文。本研究中，他們展示了通過相位控制的太赫茲（THz）脈沖，利用掃描隧道顯微鏡（STM）金屬探針與單個分子之間的超快電子隧穿過程，成功實現了單分子中激子形成。在THz脈沖的載波包絡相位（CEP）下，分子系統顯著發光，表明通過逐步選擇性隧穿過程，將電子隧穿到分子最前沿的分子軌道，從而在STM接頭處促進了超快激子形成。 他們通過結合掃描隧道顯微鏡（STM）和皮秒級太赫茲光脈沖技術，實現了對單分子水平上能量轉換和化學反應的實時控制。這一技術突破了傳統方法的局限，能夠精確觀察分子狀態的變化，而不僅僅是測量電流。
研究亮點
（1）實驗首次通過波形定制的太赫茲（THz）脈沖，在掃描隧道顯微鏡（STM）接頭中實現了分子內激子的按需形成。（2）實驗通過結合光譜學與場驅動隧穿電流測量，闡明了激子形成的機制。具體而言，研究通過對Pd(II)酞菁分子在NaCl薄膜上的吸附進行THz場驅動掃描隧道光譜（THz-STL）測量，揭示了在THz脈沖的正負組件作用下，分子中電子的順序狀態選擇性隧穿過程促進了激子的超快形成。（3）實驗通過使用相位控制的THz脈沖對激子形成過程進行調控，表明超快激子操控可以通過對電子隧穿過程的精確時間調節來實現，為分子動力學的調節提供了新的途徑。
圖文解讀
圖1. PdPc/NaCl/Ag（111）上，THz-STM測量。圖2. PdPc/NaCl/Ag（111）上，單分子THz-STL測量。
結論展望
本文通過波形定制的太赫茲（THz）脈沖引發的電荷交換，成功展示了單分子中超快激子形成。對一個已知分子系統的電導率和光致發光的測量結果表明，THz脈沖的正負分量驅動了順序的、狀態選擇性的電子隧穿至分子的最前沿分子軌道，進而導致了分子接頭處超快激子的形成。在本研究中，THz光子通過電子隧穿到分子軌道被上轉換為可見光子。作者預計這一結果能夠轉化到使用分子的納米尺度光電器件中。 由于THz-STL的超快時間分辨率，作者預見到在分子系統中的能量轉移等基礎量子光子學現象，之前使用直流掃描隧道光譜（DC-STL）研究過的現象，可以在其固有的長度和時間尺度上進一步探索。此外，作者預測通過使用THz脈沖引發分子中的超快波動，可以控制能量轉移的量子效率。THz-STL的多功能組合為在單分子尺度上研究超快激子動力學提供了一個獨特且強大的實驗平臺。作者還實現了通過分子和金屬探針之間的電荷轉移，超快地相干控制激子形成。通過控制THz脈沖對的時間調節電荷操控，可以詳細探討帶電狀態的動力學和相關性。由于在傳統分子光物理學中，常規光激發無法理想地改變分子中的電子數目，因此電荷誘導的分子動力學仍然是一個尚未探索的領域。他們通過電荷注入和提取研究激子形成，為超快時間分辨率下的分子動力學提供了精確的控制，突顯了帶電狀態的重要性。例如，通過將該技術與光致發光和拉曼光譜等光譜學方法結合，可以在極致的時空分辨率下實施泵浦-探測光譜，追蹤在充電過程中微小結構變化的動力學，這些變化迄今為止僅通過原子力顯微鏡進行靜態觀察。作者的方法為研究單分子尺度上超快帶電狀態動力學開辟了道路，推動了分子科學的進展，促進了分子電子學、光子學和催化系統中的化學反應的整合。 Kensuke Kimura et al. ,Ultrafast on-demand exciton formation in a single-molecule junction by tailored terahertz pulses.Science387,1077-1082(2025).DOI:10.1126/science.ads2776
