近日，中國科學技術大學物理學院趙瑾團隊等發現固體-分子界面的超快電荷轉移與質子的量子動力學具有很強的耦合，揭示了電荷轉移過程中核量子效應的重要作用。

CH3OH/TiO2（甲醇/二氧化鈦）界面質子耦合的電荷轉移，圖片來自中科大

前述研究由來自中國科學技術大學物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、國際功能材料量子設計中心(ICQD)、合肥國家實驗室教授趙瑾研究團隊與王兵、譚世倞，以及北京大學教授李新征合作完成。相關結果發表在《科學進展》(Science Advances)。

圖片來自《科學進展》(Science Advances)

固體與分子界面是研究太陽能轉化過程的最重要的原型體系之一，界面的光激發載流子動力學是決定太陽能轉化效率的決定性因素之一。在光催化、光伏等典型的太陽能轉化過程中，光激發在半導體材料中產生電子空穴對，這些激發態載流子再通過固體-分子界面轉移到分子上。

在許多固體-分子界面，分子之間會形成復雜的氫鍵網絡，質子常常會在這樣的氫鍵網絡中轉移。因此，固體-分子界面的電荷轉移常常與質子的運動耦合在一起。在這一過程中，科學家面對的是一個復雜的量子體系，不僅需要理解電子的動力學行為，還需要考慮其與質子的耦合。而在氫鍵網絡中運動的質子，其本身的核量子效應也不能忽略，這成為相關領域內尚未解決的復雜問題。

此次，趙瑾團隊與李新征團隊合作，利用趙瑾課題組發展的第一性原理激發態動力學軟件Hefei-NAMD，將第一性原理計算領域內兩種前沿的計算方法，即“非絕熱分子動力學(NAMD)”與“路徑積分分子動力學(PIMD)”相結合，解決了前述難題。

CH3OH/TiO2（甲醇/二氧化鈦）表面的幾何構型與電子結構，圖片來自中科大

他們使用非絕熱分子動力學來處理電子動力學部分，并用基于路徑積分理論的環-聚合分子動力學(RPMD)方法來處理核量子效應。基于該方案，團隊研究了CH3OH/TiO2（甲醇/二氧化鈦）界面的空穴轉移動力學過程，發現當吸附在二氧化鈦表面的甲醇形成氫鍵網絡，質子會在網絡中頻繁轉移，這些質子運動具有明顯的量子化行為。因此，吸附的甲醇分子對激發態空穴的捕獲能力由于質子的量子化運動而顯著提升，從而提升光化學反應的效率。這一結論在譚世京、王兵的掃描隧道顯微鏡(STM)實驗中找到了證據。

前述研究一方面揭示了在分子-固體界面超快電荷轉移過程中，氫鍵網絡的形成與核量子效應的重要作用。另一方面，為利用第一性原理計算研究核量子動力學與電子動力學的耦合，提供了新的工具。