电荷在分子中迁移的速度有多快

为了发现光如何与分子相互作用，第一步是追踪在阿秒时间尺度上演化的电子动力学。第一步的动力学称为电荷迁移(CM)。CM 在与光-物质相互作用相关的化学反应和生物功能中发挥着重要作用。多年来，由于需要超精细的空间(埃)和超快的时间(阿秒)分辨率，在电子的自然时间尺度上可视化 CM 一直是超快科学领域的一项艰巨挑战。

实验上，CM 对分子轨道和方向的敏感依赖性使得 CM 动力学变得复杂且难以追踪。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：电荷在分子中迁移的速度有多快?尽管分子 CM 在过去十年中通过使用时间相关的量子化学包在理论上得到了广泛的研究，但由于极端的挑战，对 CM 速度的实际测量仍然无法实现。

据 《Advanced Photonics》报道，华中科技大学研究团队与堪萨斯州立大学、康涅狄格大学理论团队合作，近期提出了一种高次谐波光谱(HHS)测量CM速度的方法。碳链分子，丁二炔 (C 4 H 2)。HHS 的原理基于高次谐波产生 (HHG) 的三步模型：电离、加速和复合。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，空穴动力学记录在生成的谐波光谱中。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， 为分子的每个固定空间角度在最基本的水平上重建了 C 4 H 2中的 CM。该方法实现了 50 as 的时间分辨率。

根据检索到的与时间相关的空穴密度，可以识别电荷中心的运动。从那里，CM 速度被量化，大约为每飞秒几埃。此外，还揭示了 CM 速度对分子相对于激光偏振的对准角度的依赖性。经证明，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 速度的实验答案。

通讯作者、华中科技大学物理学院教授兰鹏飞表示：“这项工作为分子中的CM动力学提供了深入的见解，可以加强我们对这些超快动力学的理解。” Lan 指出，通过分子排列控制 CM 速度也表明了一种有前途的控制化学反应速率的方法——他的团队计划在不久的将来探索这条道路。

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