新的实验研究首次测量了分子电荷迁移的速度

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线性碳链分子中的电荷迁移，由高谐波光谱捕获（艺术渲染）。图片来源：何立新和蓝鹏飞。

要发现光如何与分子相互作用，第一步是遵循电子动力学，电子动力学在阿秒时间尺度上演化。第一步的动力学被称为电荷迁移（CM）。CM在与光-物质相互作用相关的化学反应和生物学功能中起着重要作用。多年来，由于需要超精细的空间（埃）和超快时间（阿秒）分辨率，在电子的自然时间尺度上可视化CM一直是超快科学中的一项艰巨挑战。

在实验上，CM对分子轨道和取向的敏感依赖性使得CM动力学复杂且难以追踪。关于分子CM仍有一些悬而未决的问题尚不清楚。最基本的问题之一：电荷在分子中的迁移速度有多快？尽管在过去十年中，通过使用时间依赖的量子化学包，分子CM在理论上得到了广泛的研究，但由于极端的挑战，CM速度的实际测量仍然无法实现。

据Advanced Photonics报道，华中科技大学（HUST）的一个研究小组与堪萨斯州立大学和康涅狄格大学的理论团队合作，最近提出了一种高谐波谱（HHS）方法，用于测量碳链分子丁二炔（C4H2）中的CM速度。

HHS的原理基于高次谐波产生（HHG）的三步模型：电离，加速度和复合。强场电离首先在离子中产生空穴波包，该空穴波包在激光场中演化，并在复合时刻被返回的电子波包探测，空穴动力学记录在产生的谐波谱中。研究人员使用双色HHS方案与先进的机器学习重建算法相结合，在最基本的水平上重建了分子的每个固定空间角的C4H2中的CM。该方法实现了50 as的时间分辨率。

C4H2分子中的电荷迁移。（a） 为分子相对于驱动激光偏振方向的垂直排列而重建的沿分子主链的时间依赖性空穴密度。（b） 从（a）中的空穴密度中检索到的时间依赖性电荷中心位置（带圆圈的虚线）。红色虚线是用于提取 CM 速度的线性拟合。（c）-（d）与（a）-（b）相同，但用于分子的平行排列。资料来源：高级光子学（2023 年）。DOI： 10.1117/1.AP.5.5.056001

从检索到的时间相关空穴密度中，可以识别电荷中心的运动。从那里，CM速度被量化，大约是每飞秒几埃。此外，还揭示了CM速度对分子相对于激光偏振的取向角的依赖性。事实证明，激光控制下的CM比无场控制下的CM更快。这项工作首次提供了关于分子中CM速度的实验衍生答案。

通讯作者，HUST物理学院教授Pengfei Lan说：“这项工作提供了对分子中CM动力学的深刻见解，可以加强我们对这些超快动力学的理解。Lan指出，通过分子比对CM速度的控制也提出了一种有希望的方法来操纵化学反应的速率 - 他的团队旨在在不久的将来探索这条道路。

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原标题：《新的实验研究首次测量了分子电荷迁移的速度》

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