飞秒光场相干调控分子超快相互作用

近日，华东师大吴健教授团队在光诱导分子-分子相互作用动力学时域观测与高精度相干调控方面取得重要进展。该团队利用飞秒激光脉冲与D₂-D₂二聚体相互作用，成功测量了D₃⁺的形成时间并实现了其出射方向的相干调控，揭示了自然界中最基本的分子-分子超快相互作用的内在机理。

相关研究成果以“Ultrafast formation dynamics of D₃⁺ from the light-driven bimolecular reaction of the D₂-D₂ dimer”为题，于2023年6月1日发表在Nature Chemistry上。

图1 论文信息截图

2023 | 前沿进展

H₃⁺及其同位素作为最简单却最重要的星云分子反应开拓者，一直受到研究人员的广泛关注。氢气分子在宇宙辐射的作用下，发生电离产生氢气离子并进一步与中性的氢气分子相互作用，H₂⁺+H₂→H₃⁺+H，从而形成H₃⁺。H₃⁺能够触发或催化一系列包括形成有机分子和水分子等对宇宙和生命起源具有重要意义的星际分子反应。因此，H₃⁺也被视为星际分子反应链的起点。然而，此前的工作大多关注对该相互作用过程中的能量转化的研究，而忽略了分子-分子相互作用本征时间尺度的超快动力学过程。

该团队利用预冷却的超声分子束制备出低温的氘气分子二聚体(D₂-D₂)束流作为反应源，然后通过飞秒激光泵浦探测，首次在时间域追踪测得光诱导分子-分子相互作用D₂+D₂+nħω→D₃⁺+D过程中D₃⁺的形成时间为139飞秒（1飞秒=10^-15秒）。

该分子-分子相互作用的动力学过程如图2所示。通过飞秒激光作用于D₂-D₂二聚体使其发生单电离失去一个电子触发反应（步骤①），二聚体的平衡状态被打破导致D₂和D₂⁺相互靠近，形成不稳定的中间产物D₄⁺（步骤②），最后D₄⁺解离碎裂形成稳定的结构D₃⁺（步骤③）。

在测得光诱导分子-分子相互作用时间的基础之上，华东师范大学科研团队进一步通过调控双色光场实现了D₃⁺产物的出射方向调控（图3），其背后的控制原理是利用不对称的双色光场，通过控制双色光场的相对相位以亚飞秒的时间精度调控光场的波形，控制单个D₂产生不对称解离碎片D原子并与另一个D₂⁺结合形成D₃⁺。该结果开启了分子-分子定向相互作用相干操控研究的大门。

图3 实验设计原理

该团队通过使用超短激光脉冲来探测自然界中最简单的两个分子之间相互作用飞秒动力学，且其分子动力学模拟提供了分子-分子相互动力学的直观表示，与实验观察结果非常一致；此外，该研究还表明，使用定制的双色飞秒激光场可以亚飞秒的时间精度控制D₃⁺的发射方向，其潜在的控制机制与单分子断键中电子局域化的光控制一致。

该课题由华东师范大学吴健教授团队、东华大学朱美芳院士和闻瑾研究员团队、德国法兰克福大学Reinhard Dörner教授和林康博士合作完成，华东师范大学为第一完成单位。工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、华东师范大学科技项目的支持与资助。林康博士、闻瑾研究员和吴健教授为论文的共同通讯作者，华东师范大学博士研究生周莲蓉为论文第一作者。

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