陈海龙

男， 中国科学院物理研究所， 教授/研究员/教授级高工或同等级别

学习/工作经历

2002-09 至 2006-07 北京大学, 物理学, 学士
2006-09 至 2008-07 中国科学院物理研究所, 光学, 硕士
2008-07 至 2011-07 中国科学院物理研究所, 光学, 博士
2011-08 至 2016-01 美国莱斯大学，化学系，博士后
2016-01 至 2022-09 中国科学院物理研究所, 软物质物理实验室, 副研究员
2022-09 至今 中国科学院物理研究所, 软物质物理实验室, 研究员

研究领域和兴趣

超快光谱

主要业绩

在分子层面理解光合膜蛋白的动态调控物理机制，是提高作物光合效率、保障粮食安全的关键科学问题之一。同时，在飞秒至皮秒的超快时间尺度上解析其高效光能转换原理，也为设计新一代高效光电、光催化材料与器件提供了核心物理基础，对能源安全具有重大战略意义。本人研究工作聚焦于这一多学科交叉前沿，以发展国际领先的超快光谱技术为引擎，以光合作用为核心研究对象，系统揭示了从生物体系到人工材料中能量与电荷转移的微观物理机制，并拓展至二维光电与纳米光催化体系，为提升光能转换效率提出了多种创新性方案。
一、 发展国际领先的超快光谱技术平台，突破探测极限
核心技术工具的自主创新是取得原创性发现的基石。本人致力于发展覆盖从紫外到太赫兹频段的先进超快光谱方法，构建了独具特色的测量体系：
飞秒显微宽谱红外技术：成功研制基于空气介质的飞秒时间分辨宽谱红外光谱系统，关键性能指标超越商用设备。所发展的飞秒红外光源可绕开立陶宛公司的垄断，并具有超宽带宽（<20 cm-1至>3500 cm-1）、高稳定性（10-6 ΔOD）等关键技术优势，并实现了微米级的空间分辨[Nat. Commun. 7, 12512 (2016)]。该技术已成为一个开放性的先进科研平台，为国内外二十多个顶尖团队提供了关键数据支持，合作产出多项重要成果，确立了在该领域的国际领先地位。
飞秒宽带瞬态荧光光谱技术：首创光参量环状放大方案，将飞秒瞬态荧光光谱的噪声抑制能力提升一个量级，实现了国际同类仪器最高水平的时间分辨率与光学增益。基于此核心技术，为北京怀柔综合极端条件实验装置成功研制整机设备并通过验收。[专利: ZL202110762614.3, Rev. Sci. Instrum. 95, 033008 (2024)]。
此外，也进一步发展了包括二维电子态相干光谱、二维电子-振动光谱等多种国际一流的超快多维相干光谱技术，为研究光合体系及二维材料中的量子相干、电子-声子耦合等复杂相干动力学过程提供了前所未有的视角。
二、 揭示二维材料电子-声子耦合与载流子动力学新机制
利用上述先进技术，系统研究了二维材料中决定光转换效率的关键物理过程，取得系列创新发现：
揭示热电子弛豫延缓新机理：首次在二维半导体中直接观测到热电子弛豫全过程，提出了准粒子带隙的非接触测量新方法，突破了传统测量对导电基底的依赖。首次实验报道了二维半导体中的“热声子瓶颈”效应，阐明了热电子弛豫得以延缓的微观机制，为高效利用高能热电子提出了新路径 [J. Phys. Chem. Lett. 12, 585 (2021)等]。
捕捉层间电荷转移中间态：利用飞秒显微宽谱红外技术，首次直接捕捉到二维材料异质结中层间电荷转移的瞬态中间体，从实验上揭示了其高效的层间电荷分离物理机制，为设计高性能二维光电器件提供了关键科学依据 [Nat. Commun. 7, 12512 (2016); Nat. Commun. 9, 1859 (2018)]。
追踪热能释放与电荷复合通道：发展了飞秒时间分辨的晶格温度“探针”，首次实现了对电荷复合过程中热能释放途径的动态追踪。据此提出了“低热损耗”二维光转换材料的设计新思路，为提升器件能量利用效率指明了方向 [ACS Nano 12, 8961 (2018)等]。
阐明相干激发对光转换的调控作用：利用二维相干电子态光谱，揭示了相干声子驱动WSe2中多体激子形成、以及诱导TiSe2发生结构相变产生极化子等新物理现象，阐明了电子-晶格相干耦合对光转换性能的决定性影响 [J. Phys. Chem. Lett. 14, 4657 (2023)等]。
三、 厘清纳米光催化材料中的效率限制因素
将研究体系拓展至纳米光催化，系统揭示了影响光催化效率的微观动力学机制：
揭示热电子注入效率关键参数：明确了金属等离激元热电子向光催化半导体壳层注入效率的核心影响因素，为理性设计高性能等离激元光催化体系指出了关键的优化原则 [J. Phys. Chem. C 125, 19906 (2021)；Adv. Mater. 35, 2207555 (2023)]。
阐明缺陷态的作用机制：与多个团队深度合作，利用超快光谱技术作为探针，系统揭示了不同类型缺陷态在光生载流子分离、复合与催化反应中的多重角色，相关成果发表于 Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Appl. Catal. B: Environ.等诸多高水平期刊，为通过缺陷工程优化光催化材料提供了直接理论依据。
四、 探索光合膜蛋白中的生物量子效应
面向光合作用基本科学问题，致力于澄清电子-振动相干耦合在高效光能转化中的作用：
通过发展集电子态-振动态-荧光探测于一体的多维度相干光谱新方法，实现了对光合体系中电子-振动相干耦合物理图像的直观捕捉，旨在揭示量子相干性如何具体调控能量传递与电荷分离效率，以澄清这一长期悬而未决的国际前沿科学问题，并为模拟自然、设计超高效人工光能转化系统提供全新思路 [J. Chem. Phys. 160, 205101 (2024); Nature Communications 15, 3171 (2024)]。
总结：本人的研究工作形成了“方法创新-机制揭示-应用指导” 的完整闭环。通过自主研制一系列国际领先的超快光谱利器，在从生物光合到人工光转换的广阔领域中，深刻揭示了能量与电荷超快动力学的微观物理图像，不仅解决了若干关键科学问题，也为相关领域的技术突破提供了坚实的理论基础与创新的设计策略。

代表成果

(1) Ennan Cui, Heyuan Liu, Zhuan Wang, Hailong Chen, Yuxiang Weng, Femtosecond fluorescence conical optical parametric amplification spectroscopy, Rev. Sci. Instrum., 95, 033008 (2024) DOI: 10.1063/5.0197254
(2) Heyuan Liu, Meixia Ruan, Pengcheng Mao, Zhuan Wang, Hailong Chen, Yuxiang Weng, Unraveling the excited-state vibrational cooling dynamics of chlorophyll-a using femtosecond broadband fluorescence spectroscopy, J. Chem. Phys., 160, 205101 (2024) DOI: 10.1063/5.0203819
(3) Jiading Zou, Ruidan Zhu, Jiayu Wang, Hanting Meng, Zhuan Wang, Hailong Chen, Yu-Xiang Weng, Coherent Phonon-Mediated Many-Body Interaction in Monolayer WSe2, J. Phys. Chem. Lett., 14,4657-4665 (2023) DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00870
(4) Zhen Chi, Zheng Wei, Guangyu Zhang, Hailong Chen, and Yu-Xiang Weng, Determining Band Splitting and Spin-Flip Dynamics in Monolayer MoS2, J. Phys. Chem. Lett., 14,9640-9645 (2023) DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02431
(5) Yin Huang, Senhao Lv, Heyuan Liu, Qiuzhen Cheng, Yi Bao, Hongliang Lu, Xiao Lin, Zhuan Wang, Haitao Yang, Hailong Chen, Yuxiang Weng, Observation of photoinduced polarons in semimetal 1T-TiSe2, Nanotechnology, 34, 235707 (2023) DOI: 10.1088/1361-6528/acc188
(6) Zhen Chi, Xiang Zhang, Xiewen Wen, Junfeng Han, Zheng Wei, Luojun Du, Jiawei Lai, Xiangzhuo Wang, Guangyu Zhang, Qing Zhao, Hailong Chen, Pulickel M. Ajayan, Yu-Xiang Weng, Determining Quasiparticle Bandgap of Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides by Observation of Hot Carrier Relaxation Dynamics, The Journal of Physical Chemistry Letters, 12, 585-591 (2021) DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c03414
(7) Huifang Dong, Jingwen Feng, Jia Liu, Xiaodong Wan, Jiatao Zhang, Zhuan Wang, Hailong Chen, Yu-Xiang Weng, Shell Thickness Dependence of the Plasmon-Induced Hot-Electron Injection Process in Au@CdS Core-Shell Nanocrystals, Journal of Physical Chemistry C, 125, 19906-19913 (2021) DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c05900
(8) Zhen Chi, Hailong Chen, Qing Zhao, Yu-Xiang Weng, Ultrafast carrier and phonon dynamics in few-layer 2H–MoTe2, J. Chem. Phys. 151, 114704 (2019) DOI: /10.1063/1.5115467
(9) Zhen Chi, Huihui Chen, Zhuo Chen, Qing Zhao, Hailong Chen, Yu-Xiang Weng, Ultrafast Energy Dissipation via Coupling with Internal and External Phonons in Two-Dimensional MoS2, ACS Nano 12, 9, 8961-8969 (2018) DOI: 10.1021/acsnano.8b02354
(10) Hailong Chen, Xiewen Wen, Jing Zhang, Tianmin Wu, Yongji Gong, Xiang Zhang, Jiangtan Yuan, Chongyue Yi, Jun Lou, Pulickel M. Ajayan, Wei Zhuang, Guangyu Zhang, Junrong Zheng, Ultrafast formation of interlayer hot excitons in atomically thin MoS2/WS2 heterostructures, Nature Communications, 7, 12512 (2016) DOI: 10.1038/ncomms12512

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