2023年8月24日，《Advanced Photonics》在线发表了兰鹏飞、陆培祥课题组在利用高次谐波光谱探测分子超快电荷迁移方面取得的最新研究成果，文章标题为“Attosecond probing and control of charge migration in carbon-chain molecule”。

在强激光作用下，分子中的电子被激发并从分子中电离形成阳离子，留下一个空穴，从而引起电子波包的超快演化，该过程被称为分子电荷迁移，其自然时间尺度仅为阿秒级(10-18秒)。分子电荷迁移决定了化学键的形成和断裂。追踪这一超快过程对于理解甚至操控超快化学反应过程有着十分重要的意义，但同时也极具挑战。

飞秒激光与分子相互作用产生的高次谐波辐射携带了丰富的分子结构以及动力学信息，其内在的“自探测”以及“阿秒啁啾”特性为实现阿秒时间分辨的超快探测提供了有效途径。然而，在实际实验中，通常采用超声分子束，其中的分子分布在不同的方向，最终测量到的高次谐波信号是所有分子产生高次谐波信号干涉的结果，使得无法获得真实的单分子动力学信息。

针对这一问题，兰鹏飞、陆培祥课题组发展了一种机器学习算法[Phys. Rev. A, 107, 033105(2023)]，能够从实验测量的高次谐波谱中准确提取出单分子的谐波信息。进一步结合双色光驱动的多维高次谐波光谱技术，对分子内部多轨道动力学进行分解，在单分子层面观测了线性碳链分子丁二炔C4H2的电子动力学过程，并根据测量的电荷中心位置随时间的变化首次表征了分子电荷迁移“速度”及其与分子排列角的关系。

该研究揭示了几十到几百阿秒时间尺度下电子动力学过程与分子结构的关系，同时这种基于高次谐波光谱的观测方法也可以拓展到其他类似分子的研究中。 论文第一作者为青年教师何立新副教授，通讯作者为兰鹏飞教授和陆培祥教授。论文理论部分得到了美国堪萨斯州立大学C. D. Lin教授和康涅狄格大学A. T. Le教授的支持。该工作得到了基金委创新研究群体、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

图1. 实验重构的C4H2分子垂直排列时内部电荷迁移过程。

图2. C4H2+离子的电荷迁移速度。虚线方形标记为电荷迁移速度与分子排列角度的关系，红色曲线为TDDFT仿真结果。

来源：武汉光电国家研究中心