【儀表網 研發快訊】近日，精密測量院柳曉軍研究團隊與加拿大國家研究委員會、渥太華大學A. Staudte研究團隊合作，理論實驗緊密合作，實現了對異核極性分子氯化氫(HCl)超快光電子全息圖案的測量與詮釋，分辨出了不同分子軌道(HOMO與HOMO-1)對應的亞光學周期電子波包動力學。該工作首次將超快光電子全息術從原子和同核分子體系拓展到異核極性分子，為在阿秒時間尺度下解析極性分子的電子超快動力學提供了有效途徑。相關成果發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
強場超快光電子全息術是一種在阿秒時間尺度上探測電子運動的重要手段。其基本原理是：在強激光場作用下，原子分子最外層電子通過強場隧穿電離形成自由電子波包，其中一部分波包直接離開，另一部分在激光電場驅動下返回并被母離子散射，兩者之間的干涉在動量空間形成蘊含電子超快動力學信息的全息條紋。該方法已成功應用于具有空間結構對稱性的原子或同核雙原子分子體系的超快電子動力學研究。然而，對于更廣泛存在的、具有空間非對稱性結構特性的異核極性分子體系，光電子全息術是否適用、能否有效表征分子極性及其電子結構與瞬時電荷分布等關鍵信息，迄今為止尚不明晰。
針對研究領域以上公開問題，研究團隊選取典型的異核極性分子HCl，結合高分辨電子—離子符合測量技術以及自主發展的強場量子軌道理論模型(CQSFA)，實現了關鍵性突破，首次清晰分離出來自HCl的不同分子軌道(HOMO與HOMO-1)的光電子全息信號，建立了異核分子軌道結構與光電子全息圖樣之間的直接對應關系，實現了光電子全息從整體信號觀測邁向軌道分辨測量的躍升。
在此基礎上，該聯合團隊進一步揭示了分子空間取向對超快電子動力學的關鍵作用。當分子具有確定取向時，來自不對稱軌道(HOMO-1)的光電子全息圖呈現顯著的左右不對稱結構，表現為更多電子分布在氯原子一側。這一結果與此前圓偏振激光場中“氫側電離概率更高”的實驗結論相反。理論分析表明，這種看似反直覺的“反轉”現象源于兩個過程的協同作用：一方面，電離概率本身具有空間各向異性；另一方面，電離后電子在母離子庫侖勢作用下發生回碰散射，其軌跡隨之顯著改變，導致最終的動量分布出現“反轉”。
該研究表明，強場超快光電子全息圖不僅能夠記錄異核極性分子的電子運動軌跡，還因其對分子極性、軌道結構以及瞬時電荷分布的高度敏感性，為超快過程探測提供了一種具備空間選擇能力的“量子顯微鏡”。同樣重要的是，該工作同時建立了軌道分辨與取向分辨兩項關鍵能力，為推動光電子全息作為解析復雜分子內部電子結構與動力學的精密測量工具奠定了核心科學基礎。
中國科學院大學博士生導師、中國科學院精密測量院研究員柳曉軍研究團隊與加拿大國家研究委員會、渥太華大學A. Staudte團隊長期保持緊密的合作關系。早在2017年，雙方通過合作研究揭示了原子強場超快電離過程中出現的一種新型周期內干涉結構，成果發表于《物理評論快報》。2024年，雙方再度合作，共同提出并實驗實現了基于光電子干涉的分子軌道成像新方案。本次在強場異核極性分子光電子全息研究方面取得的新進展，是雙方前期合作研究工作的延續和深化。
該研究成果以“Photoelectron holography of a heteronuclear molecule”為題發表于《物理評論快報》。加拿大國家研究委員會、渥太華大學的阿秒科學實驗室團隊完成了相關實驗測量，精密測量院原子分子超快動力學團隊負責理論建模與數值模擬，聯合團隊共同完成了基于光電子全息術對異核極性分子超快動力學的重構。中國科學院大學博士生吳文卓為論文共同第一作者，中國科學院大學博士生導師、精密測量院研究員賴炫揚為共同通訊作者。
該工作得到了國家自然科學基金委與中國科學院等機構的資助。
來自異核分子 HCl不同分子軌道(HOMO 與 HOMO-1)的光電子全息圖案；左為實驗測量結果，右為理論模擬結果
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