根據電子是更接近氧原子還是更接近碳原子，激光脈衝激發出電子的時間會有細微不同。現在這種差異可以被精確地測量出來。
圖源：蘇黎世聯邦理工學院
當一個光子撞擊到一種材料上時，只要該光子有足夠的能量，就可以從材料中激發出一個電子。在1905年這個“奇蹟年”期間，Albert Einstein在伯爾尼發現了這種現象的理論解釋，即所謂的光電效應。該理論對於當時正在進行的量子力學的發展至關重要，併為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎 （Nobel Prize in Physics）。
現在，由蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）量子電子研究所（Institute for Quantum Electronics）Ursula Keller率領的一個國際物理學家團隊，為這一重要效應的實驗研究增添了新的內容。利用原秒激光脈衝，他們能夠測量電子從分子中發射出來的微小時間差，而該時間差取決於電子在分子內所處的位置。
分子中的複雜過程
博士生Jannie Vos說：“相當長一段時間以來，人們已經研究出原子中光電效應的時間演變，但迄今為止關於分子中的研究還很少。”
這主要是由於分子比單個原子複雜得多。在原子中，圍繞原子核運動的最外層電子實際上是從其軌道上發射出來的。相比之下，在分子中，兩個或多個原子核共享一個電子。它的位置取決於不同吸引勢之間的相互作用。在這種情況下光電效應究竟是如何發生的，只能通過現在的精密研究來了解。
立體中的魏格納時延
為此，Keller和她的同事使用了一氧化碳分子，它由兩個原子組成——一個碳原子和一個氧原子。這些分子暴露在僅持續幾個原秒（一秒的一百億億分之一）的遠紫外激光脈衝下。紫外光子的能量將電子從分子中剝離出來，隨後這些分子分解為組成它們的原子。其中一個原子在這個過程中轉化為帶正電的離子。
然後，研究人員用一種特殊的儀器測量電子和離子飛走的方向。第二個激光脈衝，作為一種標尺，則用於確定電子離開分子的精確時刻。
Keller團隊的博士後研究員Laura Cattaneo解釋道：“通過這種方式，我們第一次能夠測量所謂的立體魏格納延時效應（Stereo Wigner time delay）。”基於立體魏格納延時效應，可以測量出當光電離發生時，如果電子更靠近氧原子或碳原子，則電子離開分子的時間差。
極短的激光脈衝使人們能夠測量幾原秒內的瞬間。根據這些信息，反過來就可以以十分之一納米的精度確定分子內電離事件發生的位置。實驗結果與描述電子在光電離時的最可能位置的理論預測非常吻合。
對大分子的新見解
接下來，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員計劃從笑氣N2O開始，對大分子進行更深入的研究。該分子中額外的原子使得理論描述更加困難，但同時物理學家們希望藉此獲得新的見解，例如所謂的分子內電荷遷移在化學過程中起重要作用。
從原則上講，原秒激光脈衝甚至有可能不僅用於研究這些過程，而且還可有意識地控制這些過程從而精細控制化學反應。然而，目前要實現這樣的目標還有很長的路要走，正如Jannie Vos指出的那樣：“從理論上來說這非常令人興奮，但在我們實現這一切之前還有很多事情要做。”
參考文獻：
1. J. Vos, L. Cattaneo, S. Patchkovskii, T. Zimmermann, C. Cirelli, M. Lucchini, A. Kheifets, A. S. Landsman, U. Keller. Orientation-dependent stereo Wigner time delay and electron localization in a small molecule. Science, 2018; 360 (6395): 1326 DOI: 10.1126/science.aao4731
翻譯：郭毅豪
審稿：林然
原文鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180622174805.htm
封面圖：general-fmv
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