分子体系二维非线性光谱产生函数理论

With the development of experimental technology, the technoloy of multidimensional optical spectroscopy has become a versatile and powerful tool for the study of physical, chemistral, biological and materical science. At the same time, the advent of multi-dimensional optical spectroscopic techniques, has led to the challenge in the theory of multi-dimensional optical spectroscopy. In this proposal, our goal is to develop a new theoretical approach of two- (and three-) optical spectroscopy in molecular system (Two-dimensional Spectroscopy of Molecular System via Generating Function Approach) based on the photon counting statistics emited from single molecule system via generating function approach developed by us recently. We investigate the ultrafast dynamics in molecular system by employing this new theoretical method. In this new theoretical approach of two-dimensional spectroscopy, we will analyze the information of the time-depvelopment photons emited from molecular system to obtain two- (and three-)dimensional spectroscopy. We can also underatand the new physical and chmical processes in the multidimensional optical spectroscopy via the high moment and their correlation moments. From our new theoretical approach of multi-dimensional spectroscopy, we investigate the ultrafast dynamical process; and the physical limits of ultrafast process in molecular process. We also develop the new numerical approach and program, this would be to provide the spectroscopist a new theoretical method and numerical calculation.

随着实验技术的发展和提高，多维（二维、三维）光谱技术已成为研究物理学，化学，生物学以及材料科学等的一种重要手段。同时与多维光谱有关实验技术的发展也对其相关理论提出了挑战。本项目的研究目标是从我们近年所发展的单分子发射光子统计的产生函数理论方法出发，发展分子体系二维非线性光谱的产生函数理论方法，并对其相应过程的(超快)动力学过程进行研究。这一理论方法将通过分析由分子体系发射的光子所携带的丰富信息获得分子体系的二维非线性光谱及其所包含的物理信息，通过该理论方法获得分子体系发射光子的高阶矩及其关联，分析抽取分子体系二维光谱所含的新信息，并对其做出新的理解、探讨新的谱图以及所表现出的新现象等。由此，研究分子体系以及受环境影响的动力学变化过程及其途径；分子体系的超快非线性光谱技术物理极限及其对应的指纹特征；并发展有关的数值计算方法和相应计算软件。为分析、理解多维光谱信息提供新的理论和计算方法。

本项目基于单分子量子体系光子计数统计的生成函数光谱理论，探讨了在单分子构象空间光子发射的共振轨迹谱图，研究表明：该谱图轨迹展示了单分子构象的动力学变化。在实验上，在单分子构象空间中探测该谱图轨迹，即可获得单分子构象的动力学信息。基于光子计数统计光谱，我们还探讨了单量子体系的真空诱导量子相干效应以及激光冷却受力等；探讨了单量子体系处于非平衡环境中的非马尔科夫噪音诱导退相干动力学机理；通过量子态密度矩阵迹，定义了量子态空间中，量子态的“距离”，由此，我们导出了一个更紧的量子速度极限的上界，并讨论了非平衡环境中，影响量子体系动力学加速的因素，阐述了其加速机理及非平衡环境下，量子体系的量子动力学特性。. 通过激光光致漂移实现了分离甲醇核自旋变体的实验方法。通过精密谱测量两种甲醇核自旋变体在0.3到2Torr压力下浓度的变化，精准地控制了正甲醇分子的速度选择激发，成功地在室温大气下将正甲醇分子浓缩，使其浓度比自然浓度提高了大约1%，实现了正甲醇与仲甲醇分子的部分空间分离。