Advanced Photonics | 超快激光“舞动”分子

来源：中国激光

本文为中国激光第1769篇。

Advanced Photonics 2020年第2期论文：

Kang Lin, Ilia Tutunnikov, Junyang Ma, et al. Spatiotemporal rotational dynamics of laser-driven molecules[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(2): 024002

通常情况下，分子由于无规则的热运动自由旋转，分子轴的空间朝向随机分布。如果对自由转动的分子施加一束具有偏振特性的激光脉冲，那么将使得分子轴沿着激光的偏振方向排列起来。分子空间朝向的操控对实现分子成像以及精密测量具有重要意义。就像要求患者在CT或核磁共振扫描期间保持静止一样，在分子成像过程中，研究人员也希望分子保持有序且“静止”。

来自华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室（中国）、魏兹曼研究所（以色列）和勃艮第交叉学科实验室（法国）的研究团队，聚焦分子单向旋转操控、不对称陀螺分子和手性分子的空间取向以及分子转动排列回声这三个前沿课题，对飞秒激光操控分子转动领域的最新研究进展进行了详细综述。该综述论文发表于Advanced Photonics 2020年第2期。

图1 分子转动三维空间取向时空演化动力学行为的符合成像。（a）实验装置示意图，（b）激光脉冲作用前SO2分子空间随机分布，（c）正交偏振双色激光脉冲作用后，实现SO2分子的全光三维取向。

在激光诱导分子排列的过程中，激光的电场首先和分子内的电子相互作用，使它们偏离原来的平衡位置，诱导产生分子感生偶极矩。分子感生偶极矩进一步和电场作用使得分子被迫向电场的偏振方向转动。取决于激光偏振和分子轴的夹角，分子既有可能顺时针也有可能逆时针转向激光偏振方向。操控分子的单向旋转，能够实现对分子转动角动量的操控，具有重要的科学意义。该综述详细介绍了飞秒双踢、偏振整形、光学离心机等实现分子单向旋转操控的方案，并利用“库仑爆炸符合成像”技术实现分子轴空间朝向时空演化的可视化成像。

对同核双原子分子，最简单的线偏振光场就能实现其空间排列。而对于异核分子，不仅要实现空间排列，还要实现分子轴的空间取向，即区分操控分子内不同原子核的空间朝向。相比于线性分子，不对称陀螺分子，甚至是手性分子的一维乃至三维空间取向技术的实现则更加复杂。手性药物的不同对映异构体可能具有截然不同的生物学效应，一种可能是治愈疾病的良药，而另一种则可能是致死的毒药。因此，在单分子水平上选择性地甄别甚至操控手性分子的转动具有重要的应用前景。

分子转动排列回声则是近年来刚刚被发现的一种新的物理现象。激光脉冲作用于分子产生排列，脉冲过后分子又会发生弛豫，从而再次呈现随机的空间朝向。如果在短暂的延时后再施加第二束激光脉冲，那么在两束脉冲过后分子还会自发地排列起来，形成分子转动排列回声，类似于现在已经在核磁共振成像医学领域广泛应用的核自旋回声。分子转动排列回声的发现，为研究分子光物理在实际中的应用带来了新的契机。