Photochemistry / Photophysics
Time-resolved spectroscopy monitors the electronic state of matter as a function of time. Particularly, an optical pulse shorter than vibrational period (> 10 fs) has a capability of investigating vibrational and electronic dynamics simultaneously. Since the reactant and product should show different electronic properties and vibrational dynamics, analyzing such spectral response enables us to reveal the detailed mechanism of photochemical and photophysical processes.
We reveal the reaction dynamics of photochemical reactions (e.g., proton transfer, charge transfer, and isomerization) and photophysical processes (e.g., internal conversion, intersystem crossing, and photosynthetic energy transfer) using femtosecond multidimensional spectroscopy.
References
[1] J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11 (3), 755-761
[2] J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12 (27), 6292-6298
[3] J. Phys. Chen. Lett. 2022, 13 (4), 1099-1106
시분해 분광법은 시간의 함수로 물질의 전자 상태 변화를 관측합니다. 특히 진동 주기(> 10 fs)보다 짧은 광 펄스를 사용하면 진동 및 전자 동역학을 동시에 조사할 수 있습니다. 결과적으로 반응물과 생성물의 전자적 특성 차이와 진동 동역학을 비교 분석하면, 광화학 및 광물리 반응의 메커니즘을 상세히 밝혀내는 것이 가능합니다.
본 연구실에서는 펨토초 시분해 다차원 분광법을 이용하여 다양한 광화학 반응(양성자 이동, 전하 이동, 이성질체화 등) 및 광물리 현상(내부 변환, 항간 교차, 광합성 에너지 전달 등)의 메커니즘을 규명합니다.
Femtosecond Multidimensional Spectroscopy
Transition lines of material in condensed phase (e.g., solid, liquid, and solution) are structureless due to the complexity of the system itself or its environment. Thus, it is difficult to fully understand the condensed-phase phenomena by linear spectroscopy. Nonlinear spectroscopy has a capability of spreading congested spectral responses on multidimensional space, so that the spectral response of interest (e.g., reaction dynamics) can be selectively examined. Here, the femtosecond laser is an appropriate light source for demonstrating multidimensional spectroscopy since it provides high peak power, high time resolution, and wide spectral window.
We develop the new multidimensional spectroscopy techniques both experimentally and theoretically to study reaction mechanisms that have not been clarified.
References
[1] Chem. Rev. 2022, 122 (3), 4257-4321
[2] J. Phys. Chem. Lett. 2021, 11 (8), 2864-2869
[3] Nat. Commun. 2021, 11 (1), 1-10
응축상(고체, 액체, 용액 등)에서 일어나는 현상은 시스템 자체 또는 주변 환경의 복잡성에 의해 전이선이 뚜렷하게 나타나지 않기 때문에 선형 분광학으로 이를 연구하는 데에는 한계가 있습니다. 이와 같이 복잡하게 얽힌 동역학 정보를 다차원 공간에 펼쳐서 나타내면 필요한 정보만을 선택적으로 분석하는 것이 가능합니다. 펨토초 광원은 높은 에너지와 높은 시간 분해능, 그리고 넓은 주파수 영역을 제공하기 때문에 다차원 분광법을 구현하기 위한 최적의 광원입니다.
본 연구실에서는 새로운 펨토초 다차원 분광법을 개발하여 그동안 밝혀지지 못했던 화학 반응 메커니즘을 해석하고, 해당 분광법을 기술할 수 있는 이론을 정립합니다.
Quantum Optical Femtosecond Spectroscopy
Development of time-resolved spectroscopy and multidimensional spectroscopy using single photons.
References
[1] J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 5407-5412
단일 광자 기반의 시분해 분광학 및 다차원 분광학 개발.
Optical Reaction Control
Light can change the electronic state of a material by interacting with its transition dipole moment. Weak light-matter interaction results in electronic transition, while strong light-matter interaction modulates the electronic wave function itself. Based on that, it is possible to control chemical reactions optically by employing the weak or strong light-matter interaction.
We control chemical reactions within weak and strong light-matter interaction regimes based on the reaction dynamics revealed by femtosecond experiment. In weak coupling regime, highly reactive states are populated by shaping optical pulses. In strong coupling regime, molecular electronic wave functions are modulated using molecular cavity to control the chemical reactivity.
빛은 물질의 전이 쌍극자와 상호 작용하여 물질의 전자 상태에 변화를 줄 수 있습니다. 약한 빛-물질 상호작용은 전자 상태 간의 전이를 일으키는 반면에 강한 빛-물질 상호작용은 전자 파동함수 자체를 바꾸기도 합니다. 이 성질을 이용하면 반응 좌표를 알고 있는 화학반응에 대해 빛-물질 상호작용을 이용하여 반응성을 제어하는 것이 가능합니다.
본 연구실에서는 펨토초 실험을 통해 얻은 동역학 정보를 바탕으로 약한 빛-물질 상호작용 그리고 강한 상호작용을 이용해 화학반응을 제어하는 연구를 합니다. 약한 상호작용을 이용한 제어에서는 광펄스를 성형하여 고반응성 상태를 선택적으로 형성시킵니다. 강한 상호작용 제어에서는 분자 공동 기술을 활용하여 파동함수를 변조하고 물질의 반응성을 제어합니다.