近日，华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室科研团队在单分子超快动力学领域取得重要突破。该团队利用超快飞秒激光和符合探测技术，首次实验观测到了单分子体系内的超快振动回声。研究成果以“Echo in a single vibrationally excited molecule”为题，于1月20日发表在《自然物理》（Nature Physics）。该项研究由华东师大吴健教授和以色列魏兹曼研究所Yehiam Prior、Ilya Sh.Averbukh教授合作完成，华东师范大学为第一完成单位。
精密光谱科学与技术国家重点实验室吴健教授（左）与博士研究生强俊杰（右）
声波的回声是一种常见的自然现象，当声波在传播过程中遇到障碍物时，将被反射形成回声。非线性体系在受到外部激发后，由于体系中不同的组分具有不同的能量，激发的相干响应会迅速退相，而此时通过对系统的二次激发可以有效“还原”初始的相干状态，即回声的产生。回声存在于许多物理系统中，如自旋回声、光子回声、等离子波回声、粒子加速器回声等。回声现象通常被用来检测系统的相干性和观测系综的一些固有性质，在很多方面都有着非常重要的应用，例如医学上利用电子自旋回声进行核磁共振成像。
论文作者：吴健教授（右2）、博士生强俊杰（左1）、和以色列合作伙伴Yehiam Prior（左3）、Ilya SH. Averbukh（右1）、Ilia Tutunnikov（左2）
过去，回声被广泛认为是一种存在于多粒子系综内的集体响应。近日，吴健教授团队首次在单分子层面实验观测到了振动波包量子回声现象。
双缝衍射实验被誉为最经典的单粒子量子干涉物理实验。在双缝实验中，每次最多只有一个电子或光子到达双缝，单光子或单电子以叠加态的形式“同时”穿过两个狭缝后，在观测屏幕上呈现出独特的空间干涉条纹。类似地，在单分子回声工作中，在一束飞秒(10-15秒)激光脉冲的作用下，激发出多个振动波函数相干叠加构成的振动波包，虽然振动波包由于色散快速退相，但科研人员利用了第二束飞秒激光脉冲实现振动波包的重构，即分子振动回声。在探测光的作用下，通过符合探测分子解离产生的离子信号，扫描探测光延时即可在时间域上获得与双缝衍射实验相似的分布结构。与传统的回声相比，振动波包回声发生在单个的孤立分子内，表现出强烈的量子效应。
图a-c｜单个氩二聚体分子的振动波包随时间的自由演化，在时间轴上呈现出与单粒子双缝衍射实验类似的干涉条纹结构
实验中，吴健教授团队利用两束400nm的飞秒激光脉冲激发振动回声波包，当两束脉冲延时为T时，通过泵浦-探测技术，第三束800nm的探测光可在2T附近观测到回声信号。在tp=0时刻的泵浦光强激光场的作用下，基态的氩二聚体分子发生单电离，并布居振动核波包至分子离子的基态势能曲线上，随后核波包滑向势能曲线底部并开始来回振荡，当波包运动至对应的单光子耦合点时发生解离跃迁，并被符合成像探测器测量到。由于波包内的不同振动态具有不同的能量，三个明显的振荡周期过后，波包发生退相。研究人员在tp=1.36ps时施加第二束飞秒激光脉冲，利用交流斯塔克效应和解离损耗两种机制产生回声。扫描探测光的延时，使得波包发生解离即可“拍摄”振动波包回声的时间演化行为。
以色列魏兹曼研究所的研究团队的半径典和全量子的理论模拟，很好的重现了实验的观测结果，验证了单分子回声产生的物理机制。分子振动波包回声在其他体系内具有普适性，随着探测技术的发展，研究人员有望借助单分子振动回声揭示大分子的内部的超快动力学过程和更多的物理信息。精密光谱实验室博士生强俊杰和以色列魏兹曼科学研究所博士生Ilia Tutunnikov为该文章的共同一作。
图a：氩二聚体分子离子的势能曲线
图b：不同时间延时对应的单电离解离通道和库伦爆炸通道的原子核能量分布
图c：单电离解离通道产率随延时的变化
吴健教授团队长期开展激光诱导分子超快动力学行为精密测量和调控的实验研究，2016年以来在分子回声方面取得了多项创新成果。例如，吴健教授团队组首次观测到分子的转动回声(Phys.Rev.X6,041056),该工作被Nature Photonics.11.27(2017)选为“光谱学”领域最新的Research Highlights重点推荐，同时还被Laser Focus World(2017年4月刊)选为“分子光子学”领域的World News进行报道。利用分子转动回声，吴健教授与法国和以色列研究团队合作，实现高密度气体分子超快碰撞的测量，并揭示超快碰撞过程中的非久期近似量子退相干效应，相关研究成果在Nature Communications 10,5780(2019)、PRL122,193401(2019)等发表。
图文、来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑｜梁儒铭 编审｜郭文君
