来自江苏盐城的陈藤藤，本科毕业于中科大少年班，也是第一届“严济慈物理学英才班”的学生，期间师从于杜江峰院士。随后，其博士毕业于美国布朗大学，目前在加州大学圣地亚哥分校做博士后。
图 | 陈藤藤（来源：陈藤藤）
前不久，他担任一作的 Science 论文正式发表。研究中，他和所在团队探索了分子异构化的反应过程，期间涉及到化合物五羰基铁的贝里假旋转，所产生的两个振动能级的能量传输。
贝里假旋转（Berry pseudorotation），由美国科学家理查德·斯蒂芬·贝瑞（Richard Stephen Berry）首先提出，指的是分子中两个轴向的配体，与两个水平方向的配体发生交换，从而让分子发生异构化的一种方式。
而在陈藤藤此次研究的分子异构化反应中，仅需跨越一个能量势垒，在室温下的溶液中即可发生反应，这在各类化学反应体系中具有一定代表性。
通过这样一个具有代表性的体系，他和同事发现极化激元的能量传输速率，比正常分子高出 30%。而且相比正常分子，极化激元的不同能量传输路径，会发生明显的变化。
研究中，他们首次证明分子的振动强耦合，可以改变分子的超快化学反应速率，并能加快或减缓不同的能量传输路径，这为解释分子振动强耦合改变化学反应的原理打开了新思路。
另一方面，其还首次研究了暗能级的动力学性质。结果发现，绝大多数的暗能级动力学，和正常的溶液分子几乎一样。
这与陈藤藤及同事的理论预测保持了一致：即只是极化基元的动力学性质发生了变化，而这一发现也为增强分子的振动强耦合效应，指出了一条新的研究路径。
同时，该成果具备 4 项潜在应用价值：
第一，利用振动强耦合效应，只需将溶液放在两面高反射率镜子中间（即最简单的光学空腔），无需成本高昂的复杂催化剂或高温高压，即可改变化学反应的速率和产出。
第二，利用振动极化激元，能够实现分子内部的能量传输，从而为合成新型化合物开启新局面。
第三，利用振动极化激元，能在常温下构建量子系统，并有望用于量子计算、量子信息等领域。
第四，利用振动极化激元，可以达到常温下的单一量子系统，实现宏观量子效应，借此制备新的量子材料。
（来源：Science）
促进对于极化激元化学原理的理解
据介绍，只需把化学溶液放在光学空腔里，就能实现振动态强耦合——这是一种十分有趣的物理现象。
此外，仅需两面高反射率的镜子，就能形成最简单的光学空腔。镜子的反射率非常高，因此光在两面镜子之间会不停地反射，并在经历较长时间之后才会衰减。
当把化学溶液放在两面镜子之间，光会多次和化学溶液发生作用。当光在空腔中的衰减速率、以及化学溶液的能量衰减速率，一并低于光和溶液的互作速率时，就会形成一种非局域的准粒子，也就是极化激元。即不再是单一的光或溶液分子，而是兼具光和分子的特性。
这时，通过振动态的强耦合，就能增强光和物质的相互作用，从而改变系统的能级排布，进而改变化学反应的性质。
此前，挪威科学家托马斯·埃贝森（Thomas Ebbesen）和合作者发现，通过振动态的强耦合，只需把化学溶液放在两面高反射率的镜子之间，就能改变化学反应速率和化学产出。
基于这一令人意外的发现，极化激元化学反应迅速成为热门的科研话题。同时，托马斯·埃贝森的实验也由于具备可重复性，引起了巨大的讨论。
那么，振动态强耦合到底如何改变了化学反应？关于这一问题，此前基本是一片“科研无人区”。尤其是占据大部分暗能级的动力学，以往从未有人研究过。而陈藤藤的这一成果，弥补了上述空白。
近日，相关论文以《空腔增强超快分子内振动再分布对伪旋转的影响》（Cavity-enabled enhancement of ultrafast intramolecular vibrational redistribution over pseudorotation）为题发表在 Science 上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Science）
第一作者和共同一作分别为陈藤藤和杨梓墨（中科大 2013 级物理系校友），加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学教授熊伟担任通讯作者。
在论文评审过程中，他们得到了如下评价：“这项工作建立了一个标准系统，作者们研究了一个教科书式的化学体系，具有广阔的应用前景与科学意义，是一个非常新颖的工作，同时具有开创性的意义。”
同期 Science 还发表了一篇观点文章，题为《利用镜子来控制分子动力学》（Using mirrors to control molecular dynamics）。文中也高度评价了此次成果，称该工作证明利用极化激元，可以改变传统化学合成法无法实现的分子变化构型，并表示这项研究是理解极化激元化学原理的重要一步。
（来源：Science）
数次崩溃，一度曾想换课题
然而，论文发表过程却是“百折千回”。陈藤藤表示：“我在博后的第三个月，就学会了基本的实验操作。‘初生牛犊不怕虎’，我和导师说自己想负责一个独立的工作。
他说那就试试五羰基铁体系，关于这个体系的正常分子，其他团队曾用二维红外光谱研究过，论文发在了 2008 年的 Science 上 [2]。”
2020 年 9 月，陈藤藤正式立项。一开始，他和同事成功重复了 2008 年的结果。然而，当把五羰基铁溶液放进光学空腔后，复杂度直接上涨一个层次，甚至连分析实验数据都无从下手。
为此，陈藤藤和导师经常讨论到夜半时分，也使用了各种模型去解释和分析数据。
起先，他们尝试使用常规方法，结果却并不如意。随后，为了理解不同能级之间的能量传输，课题组造出一款动力学模型。
借助这款模型，他们分析了在实验光谱上不同信号的比例。后来，为了更精确地描述系统，又拟合了每一个信号，从而验证了上述模型的正确性。
而后，又采用更稳定、更快速的数据采集方法，大大改善了数据的信噪比，提高了数据的稳定性和可重复性。
接着，通过控制实验中的一系列变量，他们试图找出关于能量传输的更深层机理。
结果发现，借助测量数据的各向异性，可以清楚地分辨到底是贝里分子假旋转、还是分子内振动态能量的重新分布，导致了能量的传输。论文投稿之后，这一方法也得到了审稿人的高度赞赏。
事实上，在这期间陈藤藤曾几次萌生退意，一度想换个更简单的课题。当时，其从事博后已有两年，论文发表量依然为零，内心非常焦虑。而在读博期间，大约每隔五六个月，就能产出一篇一作论文。
“两相比较，我感到了巨大的心理落差。在这种压力下，几次崩溃中都想要放弃。”他说。
距离论文上线最近的一次“崩溃”，发生在 2021 年底。当时。陈藤藤和同事认为，基本已经理解了五羰基铁体系，通过模型也能大致解释数据中不同信号的比例。
他表示：“我当时都快把论文初稿写好了，但是在向我们的理论合作者 Prof. Joel Yuen-Zhou 课题组展示时，对方提出了不同意见，认为我们的模型缺失一些关键因素。”
为此，陈藤藤和所在团队不得不推翻旧有模型，和合作者讨论之后从头建立模型。他继续说道：“我原本以为论文很快就能发表。然而却要从头开始，论文发表时间遥遥无期，整个人丧失了动力。”
这时，导师熊伟教授来鼓励他：“尽管论文发表时间延后了，不过也确保了这项工作的扎实程度。而且我们有了之前的经验，这次应该很快就能解决。”看到自己老师既严谨、又乐观的学术作风，也让陈藤藤重新振作起来，最终实现了完美收官。
（来源：Science）
另据悉，陈藤藤还曾以一作身份，在《物理化学年刊》（Annual Review of Physical Chemistry）发表过一篇论文，另有多篇论文被其他顶刊收录。
他说：“《物理化学年刊》是物理化学领域最权威的综述期刊，每年发文不到 20 篇以内，国内不超过十人在该期刊上发表过。”
其还曾获得 2020 年度国家优秀自费留学生奖学金。同时，他也在积极利用个人所学去回报祖国：曾和来自清华大学、中科大、复旦大学、中科院大连化学物理所、山西大学等国内高校的研究者开展过一系列合作。
旧的工作依然结束，新的挑战正在路上。目前，针对振动态的强耦合，通过调整不同的实验因素比如温度、溶液浓度、光学空腔的参数，陈藤藤和所在课题组正在探索，如何更好地控制能量传输的效率和速率。另外，他们还打算研究振动态强耦合是否能改变更多的化学体系。
参考资料：
1.Chen, T. T., Du, M., Yang, Z., Yuen-Zhou, J., & Xiong, W. (2022). Cavity-enabled enhancement of ultrafast intramolecular vibrational redistribution over pseudorotation. Science, 378(6621), 790-794.
2.Cahoon, J. F., Sawyer, K. R., Schlegel, J. P., & Harris, C. B. (2008). Determining transition-state geometries in liquids using 2D-IR. Science, 319(5871), 1820-1823.
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