近年来，由于激光技术的不断进步，研究人员可以定制强激光脉冲研究光诱导的分子超快动力学，其中作为核心的化学键断裂与相干控制在物理、化学甚至生物等领域都有着重要的研究意义。通常分子超快动力学可以通过求解含时薛定谔方程来描述。然而，即使对于最简单的中性氢气分子，全维度的量子从头计算模拟仍然具有挑战性。此外，即使可以与实验观测达成一致，由于典型的黑盒属性仍然难以揭示直观的物理图象。因此，需要一种计算成本低、物理图象清晰的方法来描述强激光场下的分子超快动力学。
Im体育官方版app下载吴健教授团队近期针对这一领域内的重要问题实现突破，研究团队开发了一种直观的波包势能面传播（WAve-packet Surface Propagation, WASP）模拟方法，从量子与经典相结合的角度描述光诱导的分子断键动力学。该方法基于核波包在分子势能面上的经典传播，大大减轻了计算开销，同时引入态-态跃迁和波包相位等量子元素保留了光诱导分子动力学中至关重要的基本物理。与从头计算量子模拟方法相比，WASP方法既高效又物理透明，有望实现光诱导动力学演化的直观可视化，并且可以直接应用于复杂分子体系中。
光诱导分子超快动力学的示意图
在该研究中，研究团队巧妙地采用了量子光学中拉比振荡的基本概念，自然地引入了时变能级的失谐，并构造了超出微扰论范畴的非线性跃迁振幅。通过将跃迁振幅和波包累积的演化相位引入在势能面上传播的核波包中，可以实现分子反应中不同路径的相干分辨，并直观地揭示了实验中观测到的许多现象背后的物理机制，如动态拉比振荡引起的蝴蝶结构、平行与垂直跃迁卷积产生的四叶草结构以及多路径量子干涉导致的电子局域。该方法作为一种精度高、计算量小、物理清晰的模拟方法，研究范围覆盖短波长单光子过程到强场多光子相互作用，有望成为光诱导分子动力学的标准模拟方法。
近年来，研究团队利用该模型围绕波形操控的飞秒激光脉冲诱导分子超快动力学开展了系统性研究，结合波包演化模型和微扰跃迁振幅反演出分子超快解离过程的化学键拉伸时间[Phys. Rev. Lett. 123, 233202 (2019)，Ultrafast Sci. 2022, 9863548 (2022)]；借助分子超快秒表和波包演化模型验证了分子阈上双电离过程中的多光子共振电离路径[Phys. Rev. Lett. 126, 063201 (2021)]；将半经典模型与全量子模拟结合，揭示了强场驱动的分子拉比振荡[Light Sci. & Appl. 12, 35 (2023)]；利用成熟的WASP模型与旋转光场的高效调控方案实现了分子中平行与垂直跃迁路径的相干分辨与调控[Phys. Rev. Lett. 130, 143203 (2023)]。
Physical Review Letters刊登吴健教授团队研究成果
研究成果于2024年1月17日以“Wave-Packet Surface Propagation for Light-Induced Molecular Dynamics”为题发表在Physical Review Letters上。该课题由Im体育官方版app下载吴健教授团队和上海交通大学何峰教授团队合作完成，吴健教授为论文的通讯作者，Im体育官方版app下载博士研究生潘晟哲为论文第一作者。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委、Im体育官方版app下载科技项目的支持与资助。
附：
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.033201
来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室、科技处 编辑｜沈婷钰 编审｜郭文君
