化学体系中的激发态动力学，包括同一体系各激发态之间的跃迁转换和不同分子之间的能量转移与电荷转移，是各种光功能应用的化学基础，是决定光电功能材料、光催化与光化学反应、光生物物理与成像、量子信息等关键技术的核心基础研究。理论与计算化学是预测和调控激发态过程的重要工具，尤其在复杂化学体系激发态动力学的研究中不可或缺。

近年来白书明博士针对包括气态小分子、有机分子聚集体、生物蛋白质体系和纳米量子点等广泛的光功能化学体系，在激发态量化计算、复杂体系结构优化、非绝热动力学模拟与速率计算、自旋耦合能量转移反应等诸多课题上做出一系列成果，构建出“方法发展 -> 实验互动 -> 分子调控”的研究特色。在此基础上，本课题组将在以下方向开展研究：

1. 化学激发态动力学的理论计算与化学设计

化学体系激发态的产生和相互转换是影响光功能实现的关键因素之一。如何提高反应激发态的生成速率，降低竞争反应激发态的生成速率，从而调控目标反应的量子产率，是激发态动力学研究的重要目标。我们将关注生命过程和能源化学中的重要激发态过程，发展有效计算方法，在原子分子尺度上研究其动力学机理，并进一步开展化学调控和分子工程设计，实现“认识分子 -> 利用分子 -> 创造分子”在激发态动力学上的具体化。

图一. 硫代胸腺嘧啶的三线态衰变及其取代基调控策略（Bai* and Barbatti*, PCCP, 2017 19, 12674 ，“2017 PCCP HOT Articles”；PCCP, 2018 20, 16428, “2018 PCCP HOT Articles”)。

2.纳米-分子复合体系的电荷转移与能量转移动力学

纳米化学体系相比较于小分子具有更丰富也更复杂的激发态，比如纳米量子点具有丰富可调的激发态和良好的光稳定性，因而是优异的光能捕获体系。而激发态的纳米量子点通过分子间转移过程，把能量或者电荷传递给功能有机分子。这样通过激发部分与功能部分的分离和各自优化，以达到特定光功能体系的最优实现。我们将在前期的有机分子间电荷与能量转移动力学的研究基础上，利用多尺度方法和引入机器学习，建立纳米-分子间转移动力学的理论计算体系，研究原子尺度上的动力学机理，实现关键性能的有效预测。 在此基础上，通过与合作实验课题组交流和协作，进一步开展特定光功能的精准化学调控和主动设计。

图二. 自旋交换能量转移耦合强度的简便计算（Bai et al., JPCC 2020, 124, 18956),和反应速率的计算（Bai* and Barbatti*, JCTC 2017, 13, 5528; JPCL, 2017,8,5456)。

3.化学体系构造量子比特的耗散量子动力学与微观设计

量子比特是量子计算机的物理基础，是新一代量子科技革命发展中的关键问题。它可以由微观体系的二能级量子叠加态构成，因此微观化学体系是设计量子比特的宝库。我们将以前期的复杂体系耗散量子动力学和时间分辨激光场下激发态动力学的理论研究为基础 ，对量子比特分子器件开展研究，建立动力学模型，揭示关键参数和化学结构的关联信息。我们将与相关实验合作者共同努力，探索化学体系制备量子比特的分子工程设计。

图三. 泵浦光谱对不同类型量子相干的识别和激光场对量子相干的调控（Bai et al., JPCL, 2015, 6, 1954）；有机分子给体-受体体系用于构造量子比特（Wasielewski et al., Nat. Chem. 2019, 11, 981）。