光控電子的新突破：科學家揭開分子內電荷調控之謎

科學家們最近發現了一種利用太赫茲光來操控分子中電子的新方法，這項突破將為更快速的電子裝置、高效能太陽能電池以及新一代材料的開發鋪平道路。這項研究揭示了在原子層面上精確控制激子和電荷移動的方法，為能源和化學技術帶來了重大進展。

由橫濱國立大學、日本理化學研究所（RIKEN）以及韓國多所機構共同組成的國際研究團隊，在理解分子內電子移動與相互作用的機制上取得了重要突破。這項研究成果於3月6日發表在《科學》期刊上，可能為電子學、能量轉移以及化學反應等領域帶來革命性的進步。研究人員發現，利用超快速、相位控制的太赫茲光脈衝，可以精確調控分子中的電子分佈。

電子通常帶有負電荷，並在原子和分子中佔據特定的能階，形成圍繞帶正電原子核的結構化層。這些電子的排列方式決定了分子的行為，影響關鍵過程如光發射、電荷轉移和化學反應。例如，當光提供足夠能量時，電子會躍遷到更高的能階，留下一個帶正電的「電洞」。電子與電洞共同形成激子，這是一種微小的能量包，能夠發射光。激子在太陽能電池和LED等技術中扮演重要角色，前者將太陽光轉化為電能，後者則釋放可見光。

然而，分子還可能處於其他重要狀態，如帶電狀態和帶電激發狀態。帶電狀態發生在分子獲得或失去電子時，而帶電激發狀態則涉及電荷變化以及電子處於更高能階的情況。這些狀態對許多過程至關重要，但傳統技術難以在超快速時間尺度上進行控制。通常，可見光譜中的光無法提供足夠能量來改變分子的電荷，因此無法改變分子中的電子數量。

為克服這一挑戰，研究人員使用了太赫茲光脈衝，這是一種頻率遠低於可見光的光。這些脈衝使電子在分子與專門顯微鏡的金屬尖端之間移動，從而實現對分子中電子的移除或新增。這種新方法不僅能以快速且精確的方式控制激子，還能調控其他對化學反應、能量轉移等過程至關重要的分子狀態。

研究團隊還展示了太赫茲光（人眼不可見）可以在分子內轉化為可見光，這揭示了透過分子能量變化將一種光轉化為另一種光的新途徑。橫濱國立大學工學院的片山鬱文教授表示：「雖然激子通常在材料吸收光時形成，但我們的研究發現，利用這些特殊設計的太赫茲脈衝，也可以透過帶電狀態來創造激子。」

這為控制分子內電荷移動開闢了新的可能性，可能有助於開發更高效的太陽能電池、更小的光基裝置以及更快速的電子元件。研究團隊的主要成就是能夠在單分子層面上控制激子的形成。橫濱國立大學工學院的武田純教授解釋道：「透過精確控制電子在單分子與顯微鏡金屬尖端之間的移動，我們能夠引導激子的形成以及隨後的化學反應。這些過程通常是隨機發生的，但利用太赫茲脈衝，我們可以精確決定分子層面上的反應時機與方式。」

這項研究可能為奈米技術、先進材料以及更高效的能源與工業催化劑帶來突破性進展。參考文獻：《科學》期刊2025年3月6日發表的「利用定製太赫茲脈衝在單分子結中實現超快速按需激子形成」，DOI: 10.1126/science.ads2776。其他貢獻者包括木村健介（RIKEN）、玉木亮（橫濱國立大學、神奈川縣立工業科學技術研究所）、李敏熙（RIKEN、東京大學）、歐陽興梅（RIKEN）、草場聰（橫濱國立大學）、Jaculbia Rafael B.（RIKEN、基礎科學研究所）、川田洋一（濱松光子學株式會社）、鄭在勳（蔚山大學）、村中敦也（RIKEN）、今田宏（RIKEN、光州科學技術院）以及金有秀（RIKEN、東京大學、基礎科學研究所、光州科學技術院）。