這是
http://wulixb.iphy.ac.cn/EN/article/downloadArticleFile.do?attachType=PDF&id=6301
的 HTML 檔。
G o o g l e 在網路漫遊時會自動將檔案轉換成 HTML 網頁。
G o o g l e 在網路漫遊時會自動將檔案轉換成 HTML 網頁。
Thursday, January 17, 2013
化学处理的分子比生物分子(如 DNA)小很多，因此化学分子的波-粒二象性十分明显，操纵和加工它们比生物分子要复杂
化学处理的分子比生物分子(如 DNA)小很多，因此化学分子的波-粒二象性十分明显，操纵和加工它们比生物分子要复杂
第 46 卷 第 5 期 1997 年
5 月 物 理 学 报 vol.46，No.5，May， 1997
1000一3290/ 97/
46(5) / 0832-10 ACTA PHYSICA SINICA @1997 Chin. Phys.
Soc.
程继新 史 强 双 丰
朱清时
(中国科学技术大学化学物理系，合肥
230026)
(1996年7月 8
日收到;1996年10月 11 日收到修改稿)
用半经典方法建立了波包在强单色激光场中的激发和演化的一般模型.通过模拟计算表
明，只要局域模振动的跃迁偶极矩远大于与之耦合的背景态的跃迁偶极矩，用强单色激光场
可以长时间地选择激发分子的一个局域模振动.
PACC; 3380; 3
150
由于化学处理的分子比生物分子(如
DNA)小很多，因此化学分子的波-粒二象性十
分明显，操纵和加工它们比生物分子要复杂，其中一个重要问题是分子内部各个化学键之
间的能量转移.一般而言，当人们试图用激光切断某个化学键时，施加于此键上的能量可
能早在键断裂之前就已转移到分了内部的其他键上，因此最终断裂的不一定是计划切断
的键.
事实上，几乎从激光诞生之初化学家们就试图用它做工具来控制化学反应的通道或
有选择地断裂化学键，但是早期的实验几乎都失败了.原因正是这种分子内的快速能量转
移，它破坏激光激发的选择性，使其能量平衡分布，因而效果最终与用酒精灯加热分子差
不多.因此，实现选键化学和分子的纳米加工的关键是使能量在所加工的键上保留足够长
的时间血不转移，这种长寿命的单键振动态称为长寿命的局域模振动态.
过去的十年中，我们对分子局域模振动态的研究分两个阶段.首先在实验中找到了一
些分子中的长寿命局域模振动态〔l，Z〕，又从理论上发现了键振子的非谐性是产生这种特
殊振动的机制田，并且得出了局域模振动态出现的条件，然而，长寿命的局域模振动态只
出现于少数分子的特殊能区.在一般的场合，分子的局域模振动会与其他类型的振动混
合，从而造成分子内能量转移并缩短局域模振动态的寿命.最近，我们致力于研究如何借
助激光来控制分子内部运动随时间的演化，以便克服分子内能量转移.本文讨论利用单色
激光来抑制分子内能量转移的可能性.
关国家自然科学基金资助的课题.
5期
程继新等:强单色激光场与分子耦合制备长寿命局域模振动 853
当分子的局域模振动与其他振动模之间存在着耦合时，局域模振动态(即单键振动
态)的能量会在很短时间内发生转移.原因在于这时它不是本征态，而是一个局域模波包，
其能量转移是波包扩散(Wave
packet dephasing)的结果.薰近年来，人们一直致力于研究用
超短脉冲激光制备高能量的振动波包…，然而这并没有解决分子内能量转移引起的困
扰….只有找到一种方法,长时间地选择激发一个局域模波包并同时抑制其他波包,才能
使能量长时间集中在一个局域模激发态上.当分子处于单色强激光场中，激光可以同时激
发一组本征态，这就是强场造成的“功率加宽”现象，用它能否选择激发一个波包呢(像利
用超短激光脉冲的“频率加宽”来制备特定波包一样)?
回答这个问题对选键化学有至关
重要的意义.本文建立波包在单色强激光场中的演化模型，然后就三能级系统和一般的情
形分别对此问题加以讨论.
2
理论模型
建立波包在外场中的演化模型时，我们作了如下假设;
(1)分子的转动结构不加考虑.
(2)强光场所造成的多光子激发忽略不计_
(3)外加的光场是红外激光，因而所涉及的振动态都处于电子基态中，可忽略电磁辐
射造成的衰减效应.
我们把激光与分子相互作用体系的哈密顿量写作
H = H0 + H′，
(1)
其中
Ho表示分子的哈密顿量，H′表示激光与分子的相互作用项.在分子哈密顿量的本征
系中，总哈密顿量丑五和分子波函数宙(蠢)的矩阵形式为
5期
程继新等:强单色激光场与分子耦合制备长寿命局域模振动 855
仅:2，归=2，鹰尝口 薰=l
j:1
从(16)式可以看出，在外场存在的情况下，波包的平均布居数不等于每一个本征态组分的
平均布居数之和，出现不为零的交叉项.页以通过调节激光参数来改变它,从而控制波包
在外场中的激发和演化行为，使所期望的波包得到最大的激发.
3 三能孳
系统的选择激发
根据以上所建立的模型，可以模拟计算由一组能量相近的振动本征态组成的能级系
统在强激光外场中激发和演化的行为，下面将从最简单的三能级系统开始讨论.
3.1
三能级系统的数值模型计算
考虑如图尘所示的三能级系统，|S〉为局域模单键激发态，在它的附近有另一个态
|b〉与之强烈地耦合而形成本征态|2〉,|3〉.
在数值计算中，以基态能量为零点，
5期
程继新等:强单色激光场与分子耦合制备长寿命局域模振动 859
3.3
一般情形
将以上的讨论推广到
N能级情况，取
当外场足够强时(即
他足够大)，易见在零级近似下，布居数将在|州和忡0之间振
荡，而其他布居数趋于零.所以可得到结论:I州是被选择激发的波包_
我们用计算机模拟由10个振动能级组成的系统在强外场中的激发来验证上达观点..
该系统的上态能级在
2000一4000 cmˉl内随机取值，从基态到上态的偶极矩在 0一0.5D
范围内随机取值，模拟得到的一个10能级系统如下:
0 -薰34 0.00 3034
jl 0 -薰00 0.00 0 -薰00 0.00 0 -薰00 0 -薰00 0.00
0.43 0.00 0.00
3049.59 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.02 0.00 0.00
0.00 2968.41 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.30 0.00 0.00
0.00 0.00 2411.33 0.00 0.00 0.00 0.00
0.26 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 3481.49 0.00 0.00 0.00
0.49 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 3129.73 0.00 0.00
0 01 0 00 0 00 0
00 0 00 0 00 0 00 0 00 2270 00 0 00
0 .09 0.00 0 .00
0 .00 0.00 0 .00 0.00 0 .00 0 .00 2407.91
其中第一行和第一列的非对角元表示从基态到相应上态的跃迁偶极矩，主对角元表示各
态的能级.
用计算机模拟产生任意一个归一化的波包
方和.当激光频率为3000cmˉ1、功率为5〉〈10l2W/cm2时，波包忡〉的平均布居数(表征
I0在外场中的激发程度)与它和|0的偏差的关系如图6所示，|聊的布居数随偏差的增
大而急剧下降,当偏差超过1时,I0》被激发的概率已经很小.这表明强场作用于一个N
5期
程继新等:强单色激光场与分子耦合制备长寿命局域模振动 861
态组成的能级系统，强激光场的“功率加宽”使一组本征态同时被激发.其结果是选择激发
了一个波包，它含每一个本征态的成分与从基态到该本征态的跃迁偶极矩成正比..
若通过表象变换把本征态变为局域模基矢态,那么被极大激发的波包可以写成一组
局域模基矢态的线件组合，它含某个局域模基矢态的成分与该态的跃迁偶极矩成正比.因
此，只要某个局域模振动态(即单键伸缩振动态)的跃迁偶极矩比系统中其他态的大得多，
用强激光场就能长时间地选择激发该局域模态_我们还用全量子理论讨论了本文的结论，
这时强激光场引入的Sta宅k效应可以有效地猝灭分子内能量转移，从而得到长寿命的局
域模振动.这个结果与上述半经典理论的结果是相同而等价的，但是全量子理论假设光子
处于EQck态，因而具有随机的相位.目前实验室中使用的激光是光子处在相干态，可以用
经典电磁波来近似描述，因此本文采用了半经典理论的形式.薰
〔1] Q. S. Zhu，
B.A.Thrush and A. G_Robiette， C1,em. P1l薰汊s. Le11. ， 15G(1988)， 181; Q. S. zhu
and B. A. Thn1sh，
J. c五em. P五汊3. ，
，Z(1990)，Z691.
[2] Q. S. Zhu， B.
S. Zhang， Y. R. Ma e蠢 c1. ， Chem. Phys. Le‖. ， 1G4(1989)， 596; Spec蠡roc雁云饥im
Acm， 4GA
(1990), 1217,
1323; Q.s.Zhu， Sc乏ence 饥 C1M@ B， (4)(1991), 337.
〔4〕 J. M缸诅 and G.
K. Pafamonov， J. P1L3′s. C11e7，1.， 97(1993)， 12623.
[3] P. Brumer and
M. ShapiTo， A刀n叨. ReU. P湿二vs. 口比矶. ， 43(1992)， 237.
MAKING LOCAL MODE
vIBRATION LONG LIvED BY THE
INTERACTION
BETWEEN A STRONG MON0-COLOR
LASER FIELD AND
MOLECULES
QfIENG J1-xIN
旦HI QIANG 旦HUANG EENG 乙HU QJNCrSHI
(Depnr17nen1 0Jf
C1Le饥云mZ P薰LyS三cs， Un三腑rs三椒 o」T′ Sc三e刀ce 皿皿缉 Technozogy oJf C灵L饥况， HeJfe乏
230026)
(Received 8 July
1996; revised manuScript received 11 0ctobeT 1996)
ABSTRAcT
A general
Semi一claSSical model of Wave packet excitation and evolution in StTong
single-color
laser field has
been Set up. The SiInlllating calculation den1onstrated that a local mode
vibration can
be Selectively
excited by a Strong Tesonant laser field， pTovided that the transition dipole
moment
from the gTound
State to the local mode vibrational State iS much la1ˉge1′ than those of the
backgTound
(“bath”) states
Wllich are coupled with the local mode state.
PACC: 3380摹
3150
分明显，操纵和加工它们比生物分子要复杂
Subscribe to:
Post Comments (Atom)
No comments:
Post a Comment