水合电子 (e^-_aq) 是自然界中最简单的阴离子，是由溶解在液态水中的电子组成。上世纪六十年代，Hart 和 Boag 通过其吸收光谱发现了水合电子，其特征是 s 基态到 p 激发态之间的跃迁产生的主峰。近半个世纪对水合电子的理论和实验研究并未完善解决所有争议性问题。特别是，水合电子是否占据空腔的问题一直备受争议。缺乏共识的主要原因是由于使用基于单电子赝势的混合量子-经典模拟方法，其中电子被量子力学处理，其他相互作用被经典处理。近些年来，电子的空腔结构得到了更多的理论和实验的支持。尽管取得了诸多进展，但水合电子的光吸收光谱随温度发生2.4-2.8 meV/K 的红移这一现象尚未得到一致的解释，尤其是空腔结构模型无法准确计算水合电子随温度的红移现象。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院的兰晶岗博士、合作导师Alfredo Pasquarello教授和HQS Quantum Simulations的Vladimir Rybkin博士合作，通过结合基于色散力矫正的杂化泛函的分子动力学，机器学习和量子力学/分子力学（QM/MM）等方法，构建了水合电子在不同热力学状态下吸收光谱的模型，对水合电子的温度效应提供里统一完整的物理图像。

受益于机器学习势能面的廉价和准确性，作者模拟了水合电子在不同温度下的结构性质。数据表明，溶剂化在不同温度下均形成空腔结构。随着温度的提高，其径向分布函数变宽，进而使得水合电子的回转半径变大。

通过分子动力学得到的轨迹，计算了水合电子的吸收光谱，发现于实验高度一致的红移斜率。这一现象原因是由于温度导致的电子的回转半径增大进而发生光谱红移，而不是先前提出的温度导致水密度变化进而产生红移。作者进一步提出了一维有限深方势阱模型对光谱红移提供了更为简单且自洽的物理图像。这一工作对于描述电子或者空穴在凝聚态中的的动力学行为提供了可靠且高效的模拟手段。