华中科技大学陆培祥团队：超快分子核动力学成像

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       近日，华中科技大学陆培祥教授领导的超快光学团队在基于高次谐波光谱技术探测超快分子核动力学过程方面取得了重要进展。该研究为探测超快分子动力学过程提供了稳定有效的方案，为今后使用高次谐波探测分子结构以及更复杂分子的超快动力学过程打下了基础，有希望进一步用于实时监控微观超快化学反应过程。

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图1. 实验观测的同位素分子H₂、D₂产生的高次谐波光谱。相对于参考的原子气体（Ar），各阶次谐波都表现出明显的红移。

分子作为保持物质化学性质的最小粒子，其内部超快动力学行为会直接对化学反应产生影响。在许多热化学反应过程中，比如燃烧等，反应物分子通常是处于一种振动激发状态。因此，研究分子内部的振动过程，对于揭示化学反应的本质，以及通过调控分子量子态操控化学反应有着重要意义。然而，分子的振动过程通常发生在飞秒（10^-15 s）时间量级，相应的空间尺度在纳米（10^-10 m）量级。如何获得如此之高的时空分辨率，实现分子超快动力学成像（即拍摄分子电影，“molecular movie”），一直是超快科学领域的重要课题。

针对这一重要基础物理问题，华中科技大学陆培祥教授领导的超快光学团队经过长期的研究，找到了一种高效稳定的分子动态成像方案。他们发现在飞秒激光驱动下，电子的超快运动可对分子的核运动信息进行编码，并通过高次谐波光子的形式辐射出来。通过对谐波光子频率调制进行解码，可还原出分子内的超高时间和空间分辨的核运动信息。以最简单的同位素分子Ｈ₂、Ｄ₂样品分子为例，该研究团队首次在实验中观测到由分子核振动所引发的高次谐波光谱的频率红移现象，该红移被证实由分子核振动诱发的时域辐射对称性破缺所导致。进一步，该研究团队根据实验观测的频移量实现了纳米量级空间尺度下亚飞秒时间分辨的同位素分子振动动力学测量。

图2. 根据实验观测的频移量提取的H₂（a）、D₂（b）分子核振动动力学过程。实验结果（虚线）与理论模拟（实线）十分吻合。

相关的研究成果以Monitoring ultrafast vibrational dynamics of isotopic molecules with frequency modulation of high-order harmonics为题发表在Nature Communication  [9 : 1108 (2018) ]上。该研究相关的理论工作得到了武汉物理数学研究所卞学滨研究员和加拿大谢布克大学André D.Bandrauk教授的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03568-3

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