來自江蘇鹽城的陳藤藤，本科畢業於中科大少年班，也是第一屆「嚴濟慈物理學英才班」的學生，期間師從於杜江峰院士。隨後，其博士畢業於美國布朗大學，目前在加州大學聖地亞哥分校做博士後。
圖 | 陳藤藤（來源：陳藤藤）
前不久，他擔任一作的 Science 論文正式發表。研究中，他和所在團隊探索了分子異構化的反應過程，期間涉及到化合物五羰基鐵的貝里假旋轉，所產生的兩個振動能級的能量傳輸。
貝里假旋轉（Berry pseudorotation），由美國科學家理乍得·斯蒂芬·貝瑞（Richard Stephen Berry）首先提出，指的是分子中兩個軸向的配體，與兩個水平方向的配體發生交換，從而讓分子發生異構化的一種方式。
而在陳藤藤此次研究的分子異構化反應中，僅需跨越一個能量勢壘，在室溫下的溶液中即可發生反應，這在各類化學反應體系中具有一定代表性。
通過這樣一個具有代表性的體系，他和同事發現極化激元的能量傳輸速率，比正常分子高出 30%。而且相比正常分子，極化激元的不同能量傳輸路徑，會發生明顯的變化。
研究中，他們首次證明分子的振動強耦合，可以改變分子的超快化學反應速率，並能加快或減緩不同的能量傳輸路徑，這為解釋分子振動強耦合改變化學反應的原理打開了新思路。
另一方面，其還首次研究了暗能級的動力學性質。結果發現，絕大多數的暗能級動力學，和正常的溶液分子幾乎一樣。
這與陳藤藤及同事的理論預測保持了一致：即只是極化基元的動力學性質發生了變化，而這一發現也為增強分子的振動強耦合效應，指出了一條新的研究路徑。
同時，該成果具備 4 項潛在應用價值：
第一，利用振動強耦合效應，只需將溶液放在兩面高反射率鏡子中間（即最簡單的光學空腔），無需成本高昂的複雜催化劑或高溫高壓，即可改變化學反應的速率和產出。
第二，利用振動極化激元，能夠實現分子內部的能量傳輸，從而為合成新型化合物開啟新局面。
第三，利用振動極化激元，能在常溫下構建量子系統，並有望用於量子計算、量子信息等領域。
第四，利用振動極化激元，可以達到常溫下的單一量子系統，實現宏觀量子效應，藉此製備新的量子材料。
（來源：Science）
促進對於極化激元化學原理的理解
據介紹，只需把化學溶液放在光學空腔里，就能實現振動態強耦合——這是一種十分有趣的物理現象。
此外，僅需兩面高反射率的鏡子，就能形成最簡單的光學空腔。鏡子的反射率非常高，因此光在兩面鏡子之間會不停地反射，並在經歷較長時間之後才會衰減。
當把化學溶液放在兩面鏡子之間，光會多次和化學溶液發生作用。當光在空腔中的衰減速率、以及化學溶液的能量衰減速率，一併低於光和溶液的互作速率時，就會形成一種非局域的准粒子，也就是極化激元。即不再是單一的光或溶液分子，而是兼具光和分子的特性。
這時，通過振動態的強耦合，就能增強光和物質的相互作用，從而改變系統的能級排布，進而改變化學反應的性質。
此前，挪威科學家托馬斯·埃貝森（Thomas Ebbesen）和合作者發現，通過振動態的強耦合，只需把化學溶液放在兩面高反射率的鏡子之間，就能改變化學反應速率和化學產出。
基於這一令人意外的發現，極化激元化學反應迅速成為熱門的科研話題。同時，托馬斯·埃貝森的實驗也由於具備可重複性，引起了巨大的討論。
那麼，振動態強耦合到底如何改變了化學反應？關於這一問題，此前基本是一片「科研無人區」。尤其是佔據大部分暗能級的動力學，以往從未有人研究過。而陳藤藤的這一成果，彌補了上述空白。
近日，相關論文以《空腔增強超快分子內振動再分佈對偽旋轉的影響》（Cavity-enabled enhancement of ultrafast intramolecular vibrational redistribution over pseudorotation）為題發表在 Science 上 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Science）
第一作者和共同一作分別為陳藤藤和楊梓墨（中科大 2013 級物理系校友），加州大學聖地亞哥分校化學與生物化學教授熊偉擔任通訊作者。
在論文評審過程中，他們得到了如下評價：「這項工作建立了一個標準系統，作者們研究了一個教科書式的化學體系，具有廣闊的應用前景與科學意義，是一個非常新穎的工作，同時具有開創性的意義。」
同期 Science 還發表了一篇觀點文章，題為《利用鏡子來控制分子動力學》（Using mirrors to control molecular dynamics）。文中也高度評價了此次成果，稱該工作證明利用極化激元，可以改變傳統化學合成法無法實現的分子變化構型，並表示這項研究是理解極化激元化學原理的重要一步。
（來源：Science）
數次崩潰，一度曾想換課題
然而，論文發表過程卻是「百折千回」。陳藤藤表示：「我在博後的第三個月，就學會了基本的實驗操作。『初生牛犢不怕虎』，我和導師說自己想負責一個獨立的工作。
他說那就試試五羰基鐵體系，關於這個體系的正常分子，其他團隊曾用二維紅外光譜研究過，論文發在了 2008 年的 Science 上 [2]。」
2020 年 9 月，陳藤藤正式立項。一開始，他和同事成功重複了 2008 年的結果。然而，當把五羰基鐵溶液放進光學空腔後，複雜度直接上漲一個層次，甚至連分析實驗數據都無從下手。
為此，陳藤藤和導師經常討論到夜半時分，也使用了各種模型去解釋和分析數據。
起先，他們嘗試使用常規方法，結果卻並不如意。隨後，為了理解不同能級之間的能量傳輸，課題組造出一款動力學模型。
藉助這款模型，他們分析了在實驗光譜上不同信號的比例。後來，為了更精確地描述系統，又擬合了每一個信號，從而驗證了上述模型的正確性。
而後，又採用更穩定、更快速的數據採集方法，大大改善了數據的信噪比，提高了數據的穩定性和可重複性。
接着，通過控制實驗中的一系列變量，他們試圖找出關於能量傳輸的更深層機理。
結果發現，藉助測量數據的各向異性，可以清楚地分辨到底是貝里分子假旋轉、還是分子內振動態能量的重新分佈，導致了能量的傳輸。論文投稿之後，這一方法也得到了審稿人的高度讚賞。
事實上，在這期間陳藤藤曾幾次萌生退意，一度想換個更簡單的課題。當時，其從事博後已有兩年，論文發表量依然為零，內心非常焦慮。而在讀博期間，大約每隔五六個月，就能產出一篇一作論文。
「兩相比較，我感到了巨大的心理落差。在這種壓力下，幾次崩潰中都想要放棄。」他說。
距離論文上線最近的一次「崩潰」，發生在 2021 年底。當時。陳藤藤和同事認為，基本已經理解了五羰基鐵體系，通過模型也能大致解釋數據中不同信號的比例。
他表示：「我當時都快把論文初稿寫好了，但是在向我們的理論合作者 Prof. Joel Yuen-Zhou 課題組展示時，對方提出了不同意見，認為我們的模型缺失一些關鍵因素。」
為此，陳藤藤和所在團隊不得不推翻舊有模型，和合作者討論之後從頭建立模型。他繼續說道：「我原本以為論文很快就能發表。然而卻要從頭開始，論文發表時間遙遙無期，整個人喪失了動力。」
這時，導師熊偉教授來鼓勵他：「儘管論文發表時間延後了，不過也確保了這項工作的紮實程度。而且我們有了之前的經驗，這次應該很快就能解決。」看到自己老師既嚴謹、又樂觀的學術作風，也讓陳藤藤重新振作起來，最終實現了完美收官。
（來源：Science）
另據悉，陳藤藤還曾以一作身份，在《物理化學年刊》（Annual Review of Physical Chemistry）發表過一篇論文，另有多篇論文被其他頂刊收錄。
他說：「《物理化學年刊》是物理化學領域最權威的綜述期刊，每年發文不到 20 篇以內，國內不超過十人在該期刊上發表過。」
其還曾獲得 2020 年度國家優秀自費留學生獎學金。同時，他也在積極利用個人所學去回報祖國：曾和來自清華大學、中科大、復旦大學、中科院大連化學物理所、山西大學等國內高校的研究者開展過一系列合作。
舊的工作依然結束，新的挑戰正在路上。目前，針對振動態的強耦合，通過調整不同的實驗因素比如溫度、溶液濃度、光學空腔的參數，陳藤藤和所在課題組正在探索，如何更好地控制能量傳輸的效率和速率。另外，他們還打算研究振動態強耦合是否能改變更多的化學體系。
參考資料：
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.
