Energy-efficient pathway for selectively exciting solute molecules to high vibrational states via solvent vibration-polariton pumping.
Energy-efficient pathway for selectively exciting solute molecules to high vibrational states via solvent vibration-polariton pumping.
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DOI：
10.1038/s41467-022-31703-8
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发表时间：
2022-07-20
影响因子：
16.6
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中科院分区：
文献类型：
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作者：
选择性激发目标分子到高振动态在液相中是低效的，这限制了红外泵浦用于催化基态化学反应。在这里，我们证明，这种低效率有时可以解决限制振动强耦合条件下的液体的光腔。对于13 CO2溶质在12 CO2溶剂中的液体溶液，腔分子动力学模拟表明，在合适的共振条件下，用强激光脉冲激发溶剂的极化子（混合光物质态）可能导致溶质的非常强（>3量子）和超快（<1 ps）的激发，即使溶剂最终几乎没有被激发。相比之下，在腔外，相同的输入脉冲能量密度可以激发溶质只有一半的振动量子和激发的选择性低。我们的发现是强大的，在不同的腔体积下，这可能会导致可观察到的腔增强的法布里-珀罗腔中的IR光化学反应。在强的光-物质耦合体系中形成的混合光-物质态可以改变分子基态的反应性。在这里，Li等人通过计算证明，在光学腔中泵送形成混合振动光物质态的溶剂分子的集合可以将溶质分子激发到非常高的激发态。
Selectively exciting target molecules to high vibrational states is inefficient in the liquid phase, which restricts the use of IR pumping to catalyze ground-state chemical reactions. Here, we demonstrate that this inefficiency can sometimes be solved by confining the liquid to an optical cavity under vibrational strong coupling conditions. For a liquid solution of 13CO2 solute in a 12CO2 solvent, cavity molecular dynamics simulations show that exciting a polariton (hybrid light-matter state) of the solvent with an intense laser pulse, under suitable resonant conditions, may lead to a very strong (>3 quanta) and ultrafast (<1 ps) excitation of the solute, even though the solvent ends up being barely excited. By contrast, outside a cavity the same input pulse fluence can excite the solute by only half a vibrational quantum and the selectivity of excitation is low. Our finding is robust under different cavity volumes, which may lead to observable cavity enhancement on IR photochemical reactions in Fabry–Pérot cavities. Hybrid light-matter states formed in the strong light-matter coupling regime can alter the molecular ground-state reactivity. Here, Li et al. computationally demonstrate that pumping a collection of solvent molecules forming hybrid vibrational light-matter states in an optical cavity can excite solute molecules to very high excited states.
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