文章信息

光激发下水体系的超快动力学

Ultrafast dynamics of water system under photoexcitation

贾韫哲，孟胜

2024, 73 (8): 084204.

doi:10.7498/aps.73.20240047

背景介绍

水科学是多学科交叉的热点学术领域，因此相关工作往往丰富却分散，这不利于相关领域的科研工作者高效地获悉最新的科研进展。近年来，随着超快实验探测技术以及更加强大的理论计算方法的发展，水体系在光激发下的许多超快动力学过程被更加精确地揭示。然而技术实现原理上的多元化也为相关研究团队之间互相了解工作内容带来了困难。

本文作者团队长期致力于光激发下凝聚态和表界面体系的电子结构及其动力学演化的探索，取得了一系列创新型的研究成果。其中包括水体系等离子体化过程、光催化解离、核量子效应等相关的内容。作者基于近年来的相关文献以及课题组内的相关工作，对当下水体系在激发态下的超快动力学研究成果进行了总结与讨论，并分析和展望了未来该领域亟需解决的重要问题。

文章导读

一直以来，水体系都备受科研人员关注，但是对于水的性质的认识似乎远未到达尽头。其中重要的限制便是实验上对于空间与时间的有限分辨能力所带来的，这使得我们无法十分清晰地捕捉相关体系的行为细节。随着以飞秒甚至阿秒激光脉冲为代表的全新实验技术的发展，一系列对于水体系超快动力学行为的研究涌现出来，包括但不限于对于水体系光谱细节的全新认识、对于水体系辐照解离动力学过程的细致解析、对于含水界面的动力学行为研究，以及对于极端条件下水的金属态及等离子态行为研究。

理解水的光激发行为不仅代表着探究水这种物质本身的技术发展，而且是认识含水体系在实验或者工程条件下接受不同强度光辐照时的行为必不可少的一环。这样的认识不仅有利于实验现象的解读，而且有可能衍生出一些全新的物质合成技术，比如激光光解水制氢。

本文将视角集中于水分子、水团簇以及液态水在不同强度的光激发下产生的电离、解离甚至等离子体化的过程，总结了人们在前沿工作中获得的有关水体系原子尺度超快动力学的知识。特别地，围绕光电离实验探讨了阿秒尺度的电离延迟以及水分子Feshbach共振理论；围绕液态水的解离过程探讨了水合电子产生、空穴的定域化等重要过程，补足了液态水解离完整过程的微观图像；围绕水的等离子体化介绍了通过含时密度泛函等方法计算得到的水在强激光脉冲作用下转变为等离子体状态的过程与机制，总结了在极高电子温度下水的特殊电子结构的相关知识。

随着激光技术的发展，水科学与相关技术的融合将会日趋密切，相信这样的系统性的认识必然会在越来越多的物质科学实际探索中发挥作用。

图1  水体系受到不同强度光激发后主要动力学过程的时间尺度示意

作者简介

孟  胜

中国科学院物理研究所研究员、中国科学院大学岗位教授

2000 年中国科学技术大学毕业，2004 年获中国科学院物理研究所凝聚态物理博士学位、瑞典 Chalmers 理工大学应用物理博士学位，2005—2009 年在哈佛大学物理系任博士后，2009 年 7 月回国任特聘研究员，现任物理研究所研究员、课题组长、表面物理国家重点实验室主任。主要研究方向：1) 激发态量子动力学；2) 表面量子相互作用；3) 能量转化和存储微观机制等。在该领域发表论文 200 余篇，包括 Phys. Rev. Lett. 25篇，Nature/Science及子刊9篇。综述性论著6本，包括《水基础科学理论与实验》、《材料基因》等。论文共被引用 15000 余次， 15 篇研究论文各被引用 100 次以上，H 因子为 65。研究结果受到广泛的国际关注。入选 Scopus 2014—2023 年中国高被引作者。受邀在美国 MRS 年会、国际计算物理大会、国际材料联合会、美国化学年会和斯坦福大学等做邀请报告50 余次。Phys. Rev. Lett.，Nature，JACS，PNAS，Nano Letters等杂志审稿人。曾获教育部自然科学一等奖、北京市科技一等奖。2020年获得国家杰出青年科学基金支持。

贾韫哲

中国科学院物理研究所博士生

2021 年于南开大学毕业，获材料物理专业学士学位。主要研究方向：1) 激发态量子动力学；2) 机器学习势函数；3) 水科学等。