详情
发展分子超快行为调控技术 揭示分子动态演化过程——华东师范大学吴健教授
2021-05-19
在原子分子微观层面揭示光与物质的相互作用是开拓科学前沿、突破重大应用的科学基础，对揭示物理、化学、生物等基本过程具有重要的科学意义。基于X射线、电子衍射以及传统的精密激光光谱技术，人们可以在原子尺度获得物质微观结构，但主要集中在稳态信息的获得。
微观世界一直处于动态演化过程中，例如物质属性的改变主要来源于分子结构的变化与相互作用，对应于皮秒或飞秒时间尺度的原子核的运动；而更深层次的关键物理过程是阿秒量级的电子的运动，对应于电荷和能量以及信息的快速转移。以极高的时间分辨率在分子层面揭示微观动态演化过程，是人们真正理解物理机制实现有效调控不可或缺的手段，不仅将揭示新颖的物理现象和机制，而且也将为新材料与结构设计提供新思路。
华东师范大学吴健教授长期致力于分子超快过程精密测控的研究，通过控制超快光场的时频域特性，开展了分子超快行为的测量与调控研究，获得飞秒和阿秒的时间分辨率和调控精度，同时结合电子-离子符合探测技术，实现了分子内电子和原子核量子态演化的直接观测，为精密调控分子超快行为开辟了崭新的途径。
1 阐述分子多光子能量吸收过程中电子-核关联共享新机制
作为光与物质相互作用的首要过程，光子能量的吸收和分配，直接决定分子后续的超快响应行为。原子核的质量要比电子大3～4个数量级，在同样的相互作用下，原子核相对于电子几乎是静止不动的，因此电子和原子核之间的相互耦合可以忽略，这就是经典的玻恩-奥本海默近似，被广泛应用于分子结构、凝聚态物理、量子化学等研究领域。1979年，强场物理开拓者Agostini报道了多光子阈上电离电子能谱。随后30多年，人们一直专注于电子而忽略了原子核对光子能量的关联吸收。吴健团队通过符合测量分子电离产生的电子和离子碎片携带的能量，发现分子多光子电离过程中电子和原子核对吸收的多光子能量的关联共享行为，其等效于每个光场振荡周期内隧穿的电子-核关联波包之间的干涉，揭示了分子内的电子-核作为一个整体吸收光子能量的物理机制（图１），重新认识了分子吸收光子能量这一非常重要的基本物理过程。
2 实现分子内电子局域阿秒精度二维调控
电子局域和隧穿是量子物理的重要基础，尤其是分子内电子局域和隧穿过程的精确操控对分子裁剪、生物信息传递等方面有着重要的科学意义。自德国马普量子光学研究所M. Kling第一次实现强激光场作用下分子内电子局域操控以来，科学家们相继报道了电子局域控制的系列科学进展，但都仅局限在沿着分子轴的一维方向。分子之间的相互作用通常发生在多个空间维度，因该需要实现电子超快过程多维度的精密控制。局域电子的隧穿一直被认为是分子电离增强的物理基础，自1987年分子电离增强实验观测之后，1989年人们就提出了该经典的物理假设。由于该现象的普遍性和重要性，随后科学家们开展了大量的理论和实验探索。然而，由于一直没有在实验直接观察到该超快过程，这一假设被争论和关注了30年。
吴健团队发展了二维路径干涉阿秒操控方法，通过构建阿秒精度操控的超短激光脉冲，实现了分子内电子波包在二维空间局域过程的阿秒精度控制，为多维度精确控制分子超快过程开辟了崭新的途径（图２）。通过解决强场电子-离子四体三维动量符合成像技术难题，他们发展了阈上电离双电子能谱技术，在实验上同时测量了电子局域过程与分子键长以及光场瞬时矢量的依赖关系，直接证实了物理学家20多年前提出的局域电子隧穿增强分子电离率的经典物理假设，甄别分子内质子迁徙的中间态，为观测分子结构变化提供新思路。
3 创新发展分子转动的测量和操控技术
分子的空间排列取向对分子结构和轨道成像、量子干涉、超快信息处理等研究领域具有重要的科学意义，尤其是分子取向的操控更是既具有应用价值又具挑战性的工作。1950年，人们在核磁共振实验中发现电子自旋回声，回声现象在不同物理体系中被发现并产生重要应用。吴健团队利用自主发展的飞秒符合成像技术，通过实验观测到分子转动回声的时空演化行为，发现逆时间传播的分子回声新现象，揭示了分子回声的量子与经典特征的对应关系。提出了多项分子转动取向操控的创新技术，结合单色与双色超快光场，创新性地选择激发或抑制预排列分子在四分之一转动周期处奇数或者偶数转动态，有效解决了奇数态和偶数态干涉相消的问题，提高分子在无激光场情况下的取向程度3倍以上（图3），开拓了分子取向的崭新应用前景。
