【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室、納光電子前沿科學中心劉運全教授課題組研究了強量子光場驅(qū)動下氫氣分子的解離，揭示光場量子性質(zhì)對分子反應(yīng)動力學影響，為量子光光化學反應(yīng)與分子操控提供了理論基礎(chǔ)和新路徑。2025年10月9日，相關(guān)研究成果以《量子光驅(qū)動下氫氣分子的解離》(“Hydrogen Molecular Dissociation Driven by Quantum Light”)為題，在線發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
分子解離中化學鍵斷裂和電子重分布，決定了化學反應(yīng)的基本過程。氫氣分子作為最簡單的雙原子分子，因其結(jié)構(gòu)清晰、動力學可控，已成為研究分子電離、解離及電子-核運動耦合過程的理想研究對象。近十多年來，基于飛秒激光的超快控制技術(shù)在精確操控電子局域化、跟蹤核波包演化以及實現(xiàn)非對稱解離等方面取得了顯著成果。激光技術(shù)的最新進展使研究人員能夠定制脈沖持續(xù)時間、強度和相位，以前所未有的精度誘導分子反應(yīng)過程。
然而，傳統(tǒng)的超快分子動力學研究通常采用經(jīng)典光場(相干態(tài))，忽略了光的量子漲落與統(tǒng)計特性。隨著量子光學的快速發(fā)展，高亮度、可調(diào)控的非經(jīng)典光源成為可能，為分子過程的量子調(diào)控提供了全新契機。已有研究表明，量子光的特性，如光子數(shù)漲落、壓縮與糾纏，可在飛秒甚至阿秒尺度上顯著影響強場過程，包括高次諧波產(chǎn)生與強場電離。相比之下，量子光對分子解離動力學的影響仍鮮有研究，其潛在規(guī)律與調(diào)控機制尚待深入探索。
圖1 (a)氫氣分子解離通道示意圖；(b)質(zhì)子動量分布(壓縮度r=12)；(c)質(zhì)子動量分布(壓縮度r=15)；(d)動能釋放曲線
課題組在理論上首次研究了量子光驅(qū)動下氫氣分子的解離過程，揭示了光的量子性質(zhì)對分子解離動力學的調(diào)控。他們采用400nm水平偏振的相干光和800nm豎直偏振的真空壓縮態(tài)光場組成的正交雙色光場解離氫氣分子，圖1a為分子解離涉及的解離通道。通過數(shù)值求解含時薛定諤方程，獲得了質(zhì)子在光場偏振平面的動量分布和動能釋放譜。圖1b和1c分別表示壓縮度12和15對應(yīng)的情況。研究表明，大壓縮度下真空壓縮光具有更大的量子漲落，會導致特定解離通道產(chǎn)率增加，形成圖1c中心的“X”狀結(jié)構(gòu)和豎直方向的點狀結(jié)構(gòu)。同時，通道釋放的質(zhì)子能量會隨著壓縮度的增大而減小。此時高光子數(shù)的分布會導致兩條勢能曲線的耦合增強，在吸收一個800nm光子之后，有幾率繼續(xù)在兩個電子態(tài)之間發(fā)生兩次跳躍，這種動態(tài)拉比耦合會導致解離過程動能釋放的降低。
圖2 (a)相位壓縮相干態(tài)下的質(zhì)子動量分布；(b)振幅壓縮相干態(tài)下的質(zhì)子動量分布
圖3 不同量子態(tài)光場下解離通道產(chǎn)率隨壓縮度的變化
研究人員進一步研究了豎直偏振的800nm量子光分別在相位壓縮相干態(tài)和振幅壓縮相干態(tài)下，得到的質(zhì)子動量分布，分別如圖2a和2b，結(jié)果表明量子光場的壓縮性質(zhì)對分子解離過程有重要影響。此外，研究人員還系統(tǒng)分析了這幾種不同量子態(tài)下，壓縮度對不同解離通道產(chǎn)率的調(diào)控，如圖3所示。結(jié)果表明，壓縮度作為一個可調(diào)參數(shù)可實現(xiàn)對解離通道的選擇性控制。光場的量子漲落顯著調(diào)制了各解離通道的相對產(chǎn)率，并且不同光場的調(diào)制各不相同，在真空壓縮態(tài)下(圖3a)，隨著壓縮度增加，不同解離通道之間出現(xiàn)動態(tài)競爭，導致通道的產(chǎn)率呈現(xiàn)“先升后降”的非單調(diào)變化；而在對于振幅壓縮相干態(tài)(圖3c)，只有在壓縮度足夠大時才會打破固定振幅近似(r<-13.5)，引發(fā)產(chǎn)率的變化。這些發(fā)現(xiàn)揭示了一種全新的量子調(diào)控機制，展示了通過調(diào)節(jié)光的量子特性，以操控分子解離過程的可能性，為在量子層面引導光化學反應(yīng)路徑提供了全新的研究手段。
北京大學物理學院2022級博士研究生龍瀟驍為研究論文第一作者，2023級博士研究生李培增為研究論文第二作者，劉運全為該論文的通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)項目以及國家自然科學基金項目的支持。
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