分子內的電子移動有多快？嗯，它是如此之快，以至於它們從一個原子跳到另一個原子只需要幾個阿托秒（1阿托秒=10 ^-18秒或十億分之一秒）。眨眼之間，你就錯過了數百萬億次。因此，測量這種超快的過程是一項艱鉅的任務。

科學家們現在已經開發出一種新型乾涉測量技術，能夠以zeptosecond（宙秒，10 ^-21次方秒）的分辨率測量時間延遲。這項工作是在澳大利亞布里斯班格里菲斯大學的澳大利亞阿托秒科學設施和量子動力學中心進行的，由羅伯特-桑教授和伊戈爾-利特維尤克教授領導。

他們利用這項技術測量了兩種不同的氫分子同位素–H2和D2–與強紅外激光脈衝相互作用所發出的極紫外光脈沖之間的時間延遲。

這一延遲被發現小於3個阿托秒，並且是由較輕和較重的原子核的輕微不同運動造成的。

這項研究已經發表在《超快科學》上，這是一份新的科學夥伴雜誌。

古伊相位干涉儀的實驗裝置示意圖。實驗裝置的示意圖如圖1所示。在驅動紅外激光束的焦點附近有兩個可移動的分子射流，它們在空間中分開。兩個射流的HHG發射之間的相位差包括來自Gouey相位的貢獻（當兩個射流中流動著相同的氣體時，這是唯一的貢獻）和由於不同物種的不同內在HHG相位而產生的額外相移。為了提取該固有相移，首先在兩個噴射器中使用相同的氣體測量HHG光譜，然後在兩個噴射器之間切換不同的氣體。這個過程可以完全消除Gouy相的貢獻，以及在噴流位置的輕微不同強度的影響。

第一作者Mumta Hena Mustary博士解釋說。”這種前所未有的時間分辨率是通過乾涉測量實現的–將延遲的光波重疊起來，並測量它們的綜合亮度”。

這些光波本身是由暴露在強烈激光脈衝下的分子產生的，這個過程被稱為高次諧波生成（HHG）。

當一個電子被強激光場從一個分子中移出，被同一場加速，然後與離子重新結合，以極紫外（XUV）輻射的形式放棄能量時，就會發生高諧波生成。XUV HHG輻射的強度和相位都對參與這一過程的電子波函數的確切動態很敏感–所有不同的原子和分子都發出不同的HHG輻射。

雖然測量HHG的光譜強度是相對直接的–一個簡單的光柵光譜儀可以做到這一點–但測量HHG相位是一個更困難的任務。而相位包含了關於發射過程中各個步驟的時間的最相關信息。

為了測量這個相位，通常要進行所謂的干涉測量，即讓兩個具有精細控制的延遲的波的複製品相互重疊（或乾涉）。根據它們之間的延遲和相對相位差，它們可以進行建設性的或破壞性的干涉。

這樣的測量是由一個叫做乾涉儀的設備進行的。為XUV光建立一個乾涉儀是非常困難的，特別是要在兩個XUV脈沖之間產生並保持一個穩定的、已知的和可微調的延遲。

格里菲斯大學的研究人員通過利用被稱為古伊相位的現象解決了這個問題–當光波的相位在通過一個焦點時，會以某種方式移動。

在他們的實驗中，研究人員使用了兩種不同的氫分子同位素–自然界中最簡單的分子。這些同位素–輕氫（H2）和重氫（D2）–只在原子核的質量上有所不同–H2中的質子和D2中的氘子。其他一切包括電子結構和能量都是相同的。

由於質量較大，D2中的原子核比H2中的原子核運動得稍慢一些。由於分子中的核運動和電子運動是耦合的，在HHG過程中，核運動會影響電子波函數的動態，導致兩種同位素之間的小相移ΔφH2-D2。

這個相移相當於一個時間延遲Δt = ΔφH2-D2 /ω，其中ω是XUV波的頻率。格里菲斯的科學家們為在HHG光譜中觀察到的所有諧波測量了這個發射時間延遲–它幾乎是恆定的，略低於3阿托秒。

為了理解他們的結果，格里菲斯大學的研究人員得到了中國上海交通大學理論家的支持，由何鋒教授領導。

上海交通大學的科學家們使用了最先進的理論方法來全面模擬分子氫的兩種同位素的HHG過程，包括在各種近似水平上的核和電子運動的所有自由度。

他們的模擬很好地重現了實驗結果，理論和實驗之間的這種一致性讓研究小組相信，該模型抓住了基本物理過程的最基本特徵，因此調整模型的參數和近似水平可以確定各種影響的相對重要性。

雖然實際的動力學過程相當複雜，但發現電子重組步驟中的雙中心干擾是最主要的影響。

“因為氫氣是自然界中最簡單的分子，而且它可以在理論上建立高精度的模型，它被用於這些原則性驗證實驗中，以便對該方法進行基準測試和驗證，”Litvinyuk教授說。”在未來，這項技術可以用來測量原子和分子中各種光誘導過程的超快動力學，具有前所未有的時間分辨率。”