近日，中国科学院精密测量院柳晓军研究团队与加拿大国家研究委员会、渥太华大学 A. Staudte研究团队合作，理论实验紧密合作，实现了对异核极性分子氯化氢（HCl）超快光电子全息图案的测量与诠释，分辨出了不同分子轨道（HOMO 与 HOMO-1）对应的亚光学周期电子波包动力学。该工作首次将超快光电子全息术从原子和同核分子体系拓展到异核极性分子，为在阿秒时间尺度下解析极性分子的电子超快动力学提供了有效途径。相关成果发表在《物理评论快报》上。

来自异核分子 HCl不同分子轨道（HOMO 与 HOMO-1）的光电子全息图案；左为实验测量结果，右为理论模拟结果。精密测量院供图

据悉，强场超快光电子全息术是一种在阿秒时间尺度上探测电子运动的重要手段。其基本原理是：在强激光场作用下，原子分子最外层电子通过强场隧穿电离形成自由电子波包，其中一部分波包直接离开，另一部分在激光电场驱动下返回并被母离子散射，两者之间的干涉在动量空间形成蕴含电子超快动力学信息的全息条纹。该方法已成功应用于具有空间结构对称性的原子或同核双原子分子体系的超快电子动力学研究。然而，对于更广泛存在的、具有空间非对称性结构特性的异核极性分子体系，光电子全息术是否适用、能否有效表征分子极性及其电子结构与瞬时电荷分布等关键信息，迄今为止尚不明晰。

针对研究领域以上公开问题，研究团队选取典型的异核极性分子 HCl，结合高分辨电子—离子符合测量技术以及自主发展的强场量子轨道理论模型（CQSFA），实现了关键性突破，首次清晰分离出来自HCl的不同分子轨道（HOMO 与 HOMO-1）的光电子全息信号，建立了异核分子轨道结构与光电子全息图样之间的直接对应关系，实现了光电子全息从整体信号观测迈向轨道分辨测量的跃升。

在此基础上，该联合团队进一步揭示了分子空间取向对超快电子动力学的关键作用。当分子具有确定取向时，来自不对称轨道（HOMO-1）的光电子全息图呈现显著的左右不对称结构，表现为更多电子分布在氯原子一侧。这一结果与此前圆偏振激光场中“氢侧电离概率更高”的实验结论相反。理论分析表明，这种看似反直觉的“反转”现象源于两个过程的协同作用：一方面，电离概率本身具有空间各向异性；另一方面，电离后电子在母离子库仑势作用下发生回碰散射，其轨迹随之显著改变，导致最终的动量分布出现“反转”。

该研究表明，强场超快光电子全息图不仅能够记录异核极性分子的电子运动轨迹，还因其对分子极性、轨道结构以及瞬时电荷分布的高度敏感性，为超快过程探测提供了一种具备空间选择能力的“量子显微镜”。同样重要的是，该工作同时建立了轨道分辨与取向分辨两项关键能力，为推动光电子全息作为解析复杂分子内部电子结构与动力学的精密测量工具奠定了核心科学基础。

相关论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/z4xn-m554