摘要
量子态依赖于其所有组成粒子的坐标，具有基本的多粒子相关性。时间分辨激光光谱学1广泛用于探测激发粒子和准粒子如电子和空穴的能量和动力学2，3.,激子4，5，6,等离子体7,极化声子8或声子9．然而，来自单粒子和多粒子激励的非线性信号都是同时存在的，如果没有系统的先验知识，就无法解开4，10．在这里，我们展示了瞬态吸收-最常用的非线性光谱学-与N规定的激发强度允许动力学分离成N越来越多的非线性贡献;在离散激励所描述的系统中，这些N贡献系统地报告零到N励磁。即使在高激发强度下，我们也获得了干净的单粒子动力学，并且可以系统地增加相互作用粒子的数量，推断它们的相互作用能并重建它们的动力学，这是通过传统方法无法测量的。我们提取了方aine聚合物中的单激子和多激子动力学11，12而且，与通常的假设相反6，13，我们发现激子在湮灭之前平均会相遇几次。激子在遭遇中存活的这种令人惊讶的能力对于高效的有机光伏发电非常重要14，15．正如我们在五个不同的系统上演示的那样，我们的过程是通用的，独立于被测系统或被观察(准)粒子的类型，并且易于实现。我们设想未来的适用性在探测(准)粒子相互作用在如此不同的领域，如等离子体7，俄歇重组2量子点中的激子相关性5，16，17，单线裂变18，二维材料中的激子相互作用19在分子中20.，21载波乘法22，多声子散射9或者极化子-极化子相互作用8．
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参考文献
Mukamel, S。非线性光谱学原理“，(牛津大学出版社，1995年)。
克里莫夫，V. I.，米哈伊洛夫斯基，A. A.，麦克布兰奇，D. W.，莱瑟代尔，C. A. & Bawendi, M. G.半导体量子点中多粒子俄热率的量化。科学287， 1011-1013(2000)。
阿尔芒-亨特，A. E.等。电子和空穴的量子液滴。自然506， 471-475(2014)。
李志刚，李志刚，李志刚。光合系统中激发的非线性湮灭。Biophys。J。69， 1117-1129(1995)。
斯通，K. W.等。GaAs量子阱中双激子的双量子二维FT电子光谱研究。科学324， 1169-1173(2009)。
克里特，B.等。人工光收集中结构层次与激子扩散的相互作用。Commun Nat。10， 4615(2019)。
You, C.， Nellikka, a.c, De Leon, I. & Magaña-Loaiza, o.s.多粒子量子等离子体。纳米光子学9， 1243-1269(2020)。
孙，Y.等。极化子-极化子相互作用强度的直接测量。Nat。物理。13， 870-875(2017)。
Giura, P.等人。MgO的多声子非谐性。理论物理。启B99， 220304(2019)。
朱涛，贾玉玉，于建军，郎明杰，傅国荣。溶剂化动力学的三阶非线性时域探测。j .化学。理论物理。104， 6089-6108(1996)。
Malý， P.等。从波状到次扩散运动:变长方形共聚物中的激子动力学和相互作用。化学。科学。11， 456-466(2020)。
Völker, s.f.等。激子耦合方-方共聚物中的单线态-单线态激子湮灭:异j聚集体的模型。期刊。化学。C118， 17467-17482(2014)。
Rehhagen, C.等人。多链苝酰亚胺j聚集体中的激子迁移。期刊。化学。列托人。11， 6612-6617(2020)。
查巴里，L.， Zayats, V. & Tessler, N.激子湮灭作为双分子损失在有机太阳能电池。j:。理论物理。114， 154514(2013)。
Steiner, F.， Vogelsang, J. & Lupton, J. M.单线-三态湮灭限制聚(3-己基噻吩)激子产率。理论物理。启。112， 137402(2014)。
朱海华，杨勇，连涛。量子受限半导体纳米晶体中多激子的湮灭与解离。Acc。化学。Res。46， 1270-1279(2013)。
Palato, S.等人。用非线性光谱学研究受限多激子的电子结构。j .化学。理论物理。152， 104710(2020)。
史密斯，M. B.米歇尔，J. Singlet裂变。化学。牧师。110， 6891-6936(2010)。
Purz, T. L.等。MoSe 2/WSe 2异质结构中的相干激子-激子相互作用和激子动力学。理论物理。启B104， l241302(2021)。
Dostál, J.等。激子-激子相互作用的直接观察。Commun Nat。9， 2466(2018)。
Heshmatpour, C.等。在单摄动激发能下测量分子激子的湮灭动力学。期刊。化学。列托人。11， 7776-7781(2020)。
上田，A.， Matsuda, K.， Tayagaki, T. & Kanemitsu, Y.用飞秒泵浦探针光谱研究碳纳米管载流子增殖。达成。理论物理。列托人。92， 233105(2008)。
班尼特，d.i.g.，弗莱明，G. R.和阿玛纳特，K.能量依赖的猝灭调节激发扩散长度，以调节光合光收获。国家科学院学报美国115， e9523-e9531(2018)。
波尔曼，A，奈特，M，加内特，E. C，埃勒，B. &辛克，W. C.光伏材料:目前的效率和未来的挑战。科学352， aad4424(2016)。
Müller, m.g.等。光系统II光收集复合体中的单线态能量耗散不涉及能量转移到类胡萝卜素。ChemPhysChem11， 1289-1296(2010)。
奥斯顿，D. H.， Shank, C. V. & LeFur, P.锗中高密度等离子体带对带俄歇复合的皮秒光学测量。理论物理。启。35， 1022-1025(1975)。
Smith, G. O.， Mayer, E. J.， Kuhl, J. & Ploog, K. GaAs量子阱中双激子的泵浦探测研究。固态公社。92， 325-329(1994)。
史密斯，R. P.等人。半导体量子阱非线性吸收中多体构型的提取。理论物理。启。104， 247401(2010)。
孙，D.等。单层二硫化钼中激子-激子快速湮灭的观察。Nano。14， 5625-5629(2014)。
田口，S. Saruyama, M. Teranishi, T. & Kanemitsu, Y. CdSe纳米棒中双激子量化Auger重组的时间分辨光致发光和瞬态吸收光谱。理论物理。启B83， 155324(2011)。
Chlouba, T.等。Si/SiO载流子重组的途径2纳米晶体超晶格。j:。理论物理。126， 163101(2019)。
Pedersen, S, Baumert, T. & Zewail, A. H.飞秒实时探测反应。13.碘化汞(IHgI)的多光子动力学。期刊。化学。97， 12460-12465(1993)。
横山，K.，席尔瓦，C.，孙，D. H.， Walhout, P. K.和芭芭拉，P. F.水化电子飞秒泵浦探针光谱的详细研究。期刊。化学。一个102， 6957-6966(1998)。
比特纳，T，伊尔冈，k - d。，Renger, G. & Wasielewski, M. R. Ultrafast excitation energy transfer and exciton–exciton annihilation processes in isolated light harvesting complexes of photosystem II (LHC II) from spinach.期刊。化学。98， 11821-11826(1994)。
Brüggemann, B. & May, V.发色团配合物中的激子激子湮灭动力学。2LH2天线系统的瞬态吸收强度依赖。j .化学。理论物理。120， 2325-2336(2004)。
Birkmeier, K.， Hertel, T. & Hartschuh, A.在单个半导体碳纳米管中探测激子的超快动力学。Commun Nat。13， 6290(2022)。
基拉，M，科赫，s.w.，史密斯，R. P，亨特，A. E. &坎迪夫，s.t.量子光谱与Schrödinger-cat态。Nat。物理。7， 799-804(2011)。
Leo, K.等人。相干偏振相互作用对时间分辨简并四波混合的影响。理论物理。启。65， 1340-1343(1990)。
棕褐色,H.-S。共线相参多维光学光谱理论及相循环方案选择原则。j .化学。理论物理。129， 124501(2008)。
Brüggemann, B. & Pullerits, T.五阶相干多维光谱在光收集天线中的非摄动建模。新J.物理。13， 025024(2011)。
van Amerongen, H. & van Grondelle, R.理解绿色植物的主要光收集复合体LHCII的能量传递功能。期刊。化学。B105， 604-617(2001)。
Barzda, V.等人。LHCII聚集体和三聚体中的单线-单线湮灭动力学。Biophys。J。80， 2409-2421(2001)。
水溶液中甲酚紫染料的光激发:TD-DFT研究。定理。化学。Acc。140， 155(2021)。
一昼夜的J.-C。&鲁道夫。超短激光脉冲现象:飞秒时间尺度上的基础、技术和应用(学术出版社，1996)。
余山，刘霞，李辉，朱勇，刘霞，李辉。原子蒸汽中可伸缩和确定性多原子Dicke态的观测。选择列托人。44， 2795-2798(2019)。
邦格特，U, Bruder, L. & Stienkemeier, F.多重量子相干光谱中的脉冲重叠模糊性。选择列托人。48， 538-541(2023)。
Seiler, H.， Palato, S. & Kambhampati, P.用二维电子光谱研究胶体CdSe量子点中的激子结构和动力学。j .化学。理论物理。149， 074702(2018)。
Sewall, S. L.， Cooney, R. R.， Anderson, K. E. H.， Dias, E. A. & Kambhampati, P.半导体量子点的态对态激子动力学。理论物理。启B74， 235328(2006)。
Chlouba, T.等。硅纳米晶/二氧化硅超晶格光激发载流子动力学中双分子和俄歇复合的相互作用。科学。代表。8， 1703(2018)。
比格斯，J. D.， Voll, J. A. & Mukamel, S.生物复合物中基本过程的相干非线性光学研究:基于波函数与密度矩阵的图解技术。费罗斯。反式。r . Soc。一个370， 3709(2012)。
用非线性光谱学揭示完整的量子阶梯。结石。期刊。60， 154-166(2020)。
刘，Z.等。菠菜主要光收集复合物的晶体结构在2.72 Å分辨率。自然428， 287-292(2004)。
范格隆黛尔，R.和Novoderezhkin V.光合作用中的能量转移:实验见解和定量模型。理论物理。化学。化学。理论物理。8， 793-807(2006)。
Trebino, R。频率分辨光门控:超短激光脉冲的测量(施普林格,2002)。
Krich, J. J. Rose, P. A. & Malý， P.软件“在非线性光谱中分离单粒子和多粒子动力学”。Zenodohttps://doi.org/10.5281/zenodo.7675564(2023)。
确认
感谢H. Lokstein提供LHCII样品，感谢D. Hiller和F. Trojánek让我们测量硅纳米晶体样品。我们感谢S. Büttner，他在新的100 kHz设置上测量了甲酚紫。我们感谢g·r·弗莱明阅读了手稿并提出了有益的建议。这项工作得到了德国研究基金会(DFG)的资助。由巴伐利亚州教育、文化、科学和艺术部(C.L.和T.B.)的SolTech计划提供的423942615。J.K.和P.R.得到了加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)的支持。j。l。承认库萨努斯沃克的支持和pm得到了亚历山大·冯·洪堡基金会的支持。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
t.b.， p.m.， j.l.， P.A.R.和J.J.K.构思了这个项目。A.T.和C.L.合成了用于测量的方aine聚合物。P.M.和J.L.设计了实验，并与P.A.R.一起分析了结果。p.m.， P.A.R.和J.J.K.对数据进行了理论描述。所有作者都讨论了结果。t。b。和j。k。监督这个项目。P.M.和T.B.根据所有合著者的意见撰写了手稿。
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相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
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自然感谢匿名审稿人对本工作的同行评议所作的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1不同样本的三阶信号。
一个，光收集复合体II。b，甲酚紫染料。cCdSe/Zns核壳量子点和d，硅纳米晶体。对于所有样品，它们的结构都显示在面板的顶部。底部显示了瞬态信号图。瞬态图包含用实线、虚线和虚线边界表示的区域，其光谱集成信号在顶部以实线、虚线和虚线曲线表示。蓝色:页（3）信号，黑色:低功率参考测量。
扩展数据图2用于方aine聚合物测量的实验装置方案。
通过滤光轮对探测光束进行衰减;泵浦光的强度是用炫彩脉冲成形器调整的。半波板\ \(压裂{\λ}{2}\)通过将泵浦极化旋转到泵浦极化与探头极化之间的魔角来测量各向同性信号。
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关于本文
引用本文
Malý， P.， Lüttig, J.， Rose, P.A.et al。非线性光谱学中单粒子与多粒子动力学的分离。自然(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-023-05846-7
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05846-7
