研究人员开发了一种测量分子电荷迁移速度的方法，发现电荷每飞秒可迁移数埃格斯特朗。这项研究为超快分子动力学和潜在的化学反应控制提供了见解。要发现光如何与分子相互作用，第一步是跟踪电子动力学，它以阿秒级的时间尺度演化。这第一步的动力学被称为电荷迁移（CM）。
高次谐波光谱捕捉到的线性碳链分子中的电荷迁移（艺术效果图）。资料来源：何立新和蓝鹏飞
在与光物质相互作用相关的化学反应和生物功能中，CM 起着根本性的作用。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实现 CM 的可视化一直是超快科学领域的一项艰巨挑战。
在实验中，电荷迁移对分子轨道和取向的敏感依赖性使得电荷迁移动力学变得复杂而难以追踪。关于分子 CM仍有一些悬而未决的问题尚不清楚。其中一个最基本的问题是：电荷在分子中迁移的速度有多快？尽管在过去十年中，人们利用与时间相关的量子化学软件包对分子 CM 进行了广泛的理论研究，但由于极具挑战性，对 CM 速度的实际测量仍然无法实现。
C4H2 分子中的电荷迁移。(a) 在分子垂直于驱动激光偏振方向的情况下，沿分子主干重建的随时间变化的空穴密度。(b) 根据 (a) 中的空穴密度重建的随时间变化的电荷中心位置（带圆圈的虚线）。红色虚线是提取 CM 速度的线性拟合。(c)-(d) 与 (a)-(b) 相同，但分子平行排列。资料来源：He 等人，doi 10.1117/1.AP.5.5.056001
据《先进光子学》（Advanced Photonics）杂志8月24日报道，华中科技大学的研究团队与美国堪萨斯州立大学和康涅狄格大学的理论团队合作，最近提出了一种测量碳链分子丁二烯（C4H2）CM速度的高次谐波光谱（HHS）方法。
高次谐波光谱法的原理基于高次谐波产生（HHG）的三步模型：电离、加速和重组。强场电离首先在离子中产生空穴波包，空穴波包在激光场中演化，并在重组时刻被返回的电子波包探测到，空穴动态被记录在产生的谐波频谱中。
研究人员采用双色 HHS 方案，结合先进的机器学习重建算法，在最基本的层面上重建了 C4H2 分子中每个固定空间角度的 CM。该方法的时间分辨率达到了 50 倍。
根据检索到的随时间变化的空穴密度，可以确定电荷中心的移动。由此可以量化 CM 的速度，即每飞秒约几埃格斯特朗。此外，还揭示了 CM 速度与分子相对于激光偏振的排列角度的关系。结果表明，激光控制下的 CM 比无场 CM 更快。这项工作首次通过实验得出了分子中 CM 速度的答案。
通讯作者、华中科技大学物理学院教授蓝鹏飞说："这项工作深入揭示了分子中的CM动力学，可以加强我们对这些超快动力学的理解。"
兰鹏飞指出，通过分子排列来控制CM速度也是操纵化学反应速率的一种很有前景的方法--他的团队希望在不久的将来探索这条道路。