【原】Science: 阿秒的時(shí)間尺度精準(zhǔn)的手性測(cè)量

CBG資訊公眾號(hào) 2020-08-19

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手性光物質(zhì)相互作用已經(jīng)進(jìn)行了兩個(gè)世紀(jì)的研究,，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多用于鑒別對(duì)映異構(gòu)體手性的辦法。大多數(shù)手性光效應(yīng)是由束縛電子的響應(yīng)引起的,，光電離可以產(chǎn)生強(qiáng)得多的手性信號(hào),，其表現(xiàn)為光電子沿著光傳播軸的角度分布的不對(duì)稱性。

兩個(gè)樟腦對(duì)映體的光電離示意圖

（來源：Science）

一個(gè)國(guó)際研究小組已經(jīng)能夠使用阿秒（10的負(fù)18次方秒）光電子干涉技術(shù)精確地檢測(cè)電子何時(shí)從手性分子中彈出,。該方法非常精確,，可應(yīng)用于基準(zhǔn)分子電離的量子理論,，或適用于研究超導(dǎo)手性納米管或自旋電子器件中的超快過程。

光電子干涉測(cè)量的原理

（來源：Science）

當(dāng)光照射到一個(gè)分子,，光可以電離分子,，造成電子近乎瞬時(shí)的發(fā)射。由于電子是如此輕,，反應(yīng)是如此快,，以致于被認(rèn)為因?yàn)樘於鵁o法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。但是阿秒科學(xué)的最新發(fā)展使這種研究成為可能,。由法國(guó)強(qiáng)激光應(yīng)用中心（Centre for Intense Lasers and Applications ,，CELIA）的研究小組利用特殊的阿秒設(shè)置，研究了隨機(jī)取向的樟腦分子的電離,。他們的實(shí)驗(yàn)揭示了前進(jìn)和后退電子之間非常小的時(shí)間轉(zhuǎn)換——僅有7個(gè)阿秒,。如果切換對(duì)映體，這個(gè)延遲就會(huì)逆轉(zhuǎn),。

樟腦非共振光電離的前向/后向差分延遲

（來源：Science）

眾所周知,，當(dāng)手性分子被圓偏振光離子化時(shí)，在相對(duì)于光束指向的前后方向上發(fā)射的電子的強(qiáng)度之間存在不平衡,。這種由光電子圓二色性（photoelectron circular dichroism ,，PECD）研究的不對(duì)稱性達(dá)到百分之幾，比通常在較長(zhǎng)時(shí)間建立的技術(shù)中遇到的不對(duì)稱性要大三個(gè)數(shù)量級(jí),。這可能賦予PECD更大的區(qū)分左手和右手分子的靈敏度,。但是，對(duì)PECD效應(yīng)的全面理論認(rèn)識(shí)是具有挑戰(zhàn)性的,。當(dāng)在一個(gè)螺母上旋轉(zhuǎn)一個(gè)螺栓時(shí),，螺紋的手性將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為平移，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)的方向向前或向后移動(dòng),。當(dāng)用圓偏振光使手性分子光離子化時(shí),，也會(huì)發(fā)生同樣的情況。值得注意的是,，即使在隨機(jī)取向的手性分子射流中也會(huì)發(fā)生這種情況,。測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)，要?dú)w功于激光源和所有光學(xué)元件的高度穩(wěn)定性,，這使精度能夠達(dá)到1阿秒的時(shí)間分辨率,。

樟腦的相分解共振光電離

（來源：Science）

研究人員開發(fā)了一種利用兩個(gè)鎖相激光場(chǎng)的電離來檢測(cè)差分阿秒延遲的技術(shù)。他們?cè)诩t外（800nm）和紫外（400nm）區(qū)域的波長(zhǎng)工作,，并結(jié)合線性和圓偏振飛秒激光脈沖,。通過獨(dú)立控制電離和探測(cè)光脈沖的手性，科學(xué)家們可以將測(cè)量引起的實(shí)際光電子延遲解耦,，這可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確,。用成像光譜儀采集光電子，得到角分辨光電子能譜,，并比較不同方向上的電子發(fā)射延遲,。

自電離光電子波包的角度分辨時(shí)間分布

（來源：Science）

這項(xiàng)工作為手性電離機(jī)制提供了重要的新見解。如果使用具有固有取向的光進(jìn)行電離,，被檢測(cè)分子固有的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱也會(huì)導(dǎo)致光電子發(fā)射過程的時(shí)間不對(duì)稱,。該方法的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性可能會(huì)限制其在常規(guī)分析應(yīng)用中的使用，因?yàn)橛懈?jiǎn)單的方法來確定分子的手性,。但新的發(fā)現(xiàn)可能支持其他程序的發(fā)展,，以確定和量化對(duì)映體。測(cè)量的高精度也可以作為分子光電離量子理論的基準(zhǔn)工具,。還可以推廣到各種各樣的系統(tǒng),，以揭示超快對(duì)稱性斷裂、超導(dǎo)手性納米管和手性自旋電子學(xué)器件,。