Femtosecond Multidimensional Spectroscopy
Transition lines of material in condensed phases (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] J. Chem. Phys. 2025, 163, 164307
[2] Chem. Rev. 2022, 122 (3), 4257-4321
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
Time-resolved spectroscopic techniques, such as transient absorption and time-resolved fluorescence spectroscopy, have long been established and remain essential tools for probing ultrafast dynamics in molecular systems. Conventional time-resolved spectroscopy is typically described within a semiclassical framework of light–matter interaction; however, certain properties of matter cannot be fully understood within this approach alone. Fully quantum-mechanical light–matter interactions enable unprecedented nonlinear spectroscopic methods by exploiting uniquely quantum properties of light sources, including entanglement and photon statistics, which are inaccessible to classical light.
References
[1] Sci. Adv. 2025, 11, eadw9759
[2] J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15 (20), 5407-5412
순간 흡수 분광학 및 시분해 형광 분광학과 같은 시분해 분광법은 오래전부터 개발되어 현재까지도 초고속 분자동역학 연구에 매우 유용하게 활용되고 있다. 기존의 시분해 분광학은 주로 준고전역학적 광–물질 상호작용에 기반하여 기술되지만, 이러한 관점만으로는 완전히 설명하기 어려운 물질의 특성이 존재한다. 완전 양자역학적으로 기술되는 광–물질 상호작용은 얽힘과 광자의 입자성과 같은 양자 광원의 고유한 성질을 활용함으로써, 고전 광으로는 구현할 수 없는 새로운 비선형 분광학의 개발 가능성을 제공한다.
Quantum Dynamics in Condensed Phases
Molecules in condensed phases exhibit strong intermolecular interactions, making it difficult to extract detailed structural and dynamical information using conventional linear spectroscopy. Although time-resolved spectroscopy has been developed to probe photoinduced dynamics, the resulting kinetic information alone does not fully capture the underlying quantum dynamics. Our research focuses on elucidating quantum dynamical processes, such as proton transfer and photosynthetic energy transfer, where quantum effects play a crucial role, by employing coherent vibrational spectroscopy beyond conventional time-resolved spectroscopic approaches.
References
[1] J. Phys. Chen. Lett. 2026, 17 (19), 5424-5431
[2] J. Phys. Chen. Lett. 2022, 13 (4), 1099-1106
응축상 분자는 강한 분자 간 상호작용으로 인해 일반적인 선형 분광학만으로는 구체적인 구조 및 동역학 정보를 얻기 어렵다. 이러한 광유도 동역학을 관측하기 위해 시분해 분광학이 개발되었으나, 이를 통해 얻는 kinetic information만으로는 양자 동역학을 충분히 이해하기 어렵다. 본 연구팀은 coherent vibrational spectroscopy를 활용하여 양성자 이동 및 광합성 에너지 전달과 같이 양자적 현상이 중요한 역할을 하는 계의 양자 동역학을 규명하는 연구를 수행하고 있다.
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.