研究人員開發了一種測量分子電荷遷移速度的方法，發現電荷每飛秒可遷移數埃格斯特朗。這項研究為超快分子動力學和潛在的化學反應控制提供了見解。要發現光如何與分子相互作用，第一步是跟踪電子動力學，它以阿秒級的時間尺度演化。這第一步的動力學被稱為電荷遷移（CM）。

高次諧波光譜捕捉到的線性碳鏈分子中的電荷遷移（藝術效果圖）。資料來源：何立新和藍鵬飛

在與光物質相互作用相關的化學反應和生物功能中，CM 起著根本性的作用。多年來，由於需要超精細的空間（埃）和超快的時間（阿秒）分辨率，在電子的自然時間尺度上實現CM 的可視化一直是超快科學領域的一項艱鉅挑戰。

在實驗中，電荷遷移對分子軌道和取向的敏感依賴性使得電荷遷移動力學變得複雜而難以追踪。關於分子CM仍有一些懸而未決的問題尚不清楚。其中一個最基本的問題是：電荷在分子中遷移的速度有多快？儘管在過去十年中，人們利用與時間相關的量子化學軟件包對分子CM 進行了廣泛的理論研究，但由於極具挑戰性，對CM 速度的實際測量仍然無法實現。

C4H2 分子中的電荷遷移。(a) 在分子垂直於驅動激光偏振方向的情況下，沿分子主乾重建的隨時間變化的空穴密度。(b) 根據(a) 中的空穴密度重建的隨時間變化的電荷中心位置（帶圓圈的虛線）。紅色虛線是提取CM 速度的線性擬合。(c)-(d) 與(a)-(b) 相同，但分子平行排列。資料來源：He 等人，doi 10.1117/1.AP.5.5.056001

據《先進光子學》（Advanced Photonics）雜誌8月24日報導，華中科技大學的研究團隊與美國堪薩斯州立大學和康涅狄格大學的理論團隊合作，最近提出了一種測量碳鏈分子丁二烯（C4H2 ）CM速度的高次諧波光譜（HHS）方法。

高次諧波光譜法的原理基於高次諧波產生（HHG）的三步模型：電離、加速和重組。強場電離首先在離子中產生空穴波包，空穴波包在激光場中演化，並在重組時刻被返回的電子波包探測到，空穴動態被記錄在產生的諧波頻譜中。

研究人員採用雙色HHS 方案，結合先進的機器學習重建算法，在最基本的層面上重建了C4H2 分子中每個固定空間角度的CM。該方法的時間分辨率達到了50 倍。

根據檢索到的隨時間變化的空穴密度，可以確定電荷中心的移動。由此可以量化CM 的速度，即每飛秒約幾埃格斯特朗。此外，還揭示了CM 速度與分子相對於激光偏振的排列角度的關係。結果表明，激光控制下的CM 比無場CM 更快。這項工作首次通過實驗得出了分子中CM 速度的答案。

通訊作者、華中科技大學物理學院教授藍鵬飛說：”這項工作深入揭示了分子中的CM動力學，可以加強我們對這些超快動力學的理解。”

蘭鵬飛指出，通過分子排列來控制CM速度也是操縱化學反應速率的一種很有前景的方法–他的團隊希望在不久的將來探索這條道路。