【儀表網 研發快訊】近日，北京大學物理學院現代光學研究所、人工微結構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動下氫氣分子的解離，揭示光場量子性質對分子反應動力學影響，為量子光光化學反應與分子操控提供了理論基礎和新路徑。2025年10月9日，相關研究成果以《量子光驅動下氫氣分子的解離》(“Hydrogen Molecular Dissociation Driven by Quantum Light”)為題，在線發表于《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，決定了化學反應的基本過程。氫氣分子作為最簡單的雙原子分子，因其結構清晰、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在精確操控電子局域化、跟蹤核波包演化以及實現非對稱解離等方面取得了顯著成果。激光技術的最新進展使研究人員能夠定制脈沖持續時間、強度和相位，以前所未有的精度誘導分子反應過程。
然而，傳統的超快分子動力學研究通常采用經典光場(相干態)，忽略了光的量子漲落與統計特性。隨著量子光學的快速發展，高亮度、可調控的非經典光源成為可能，為分子過程的量子調控提供了全新契機。已有研究表明，量子光的特性，如光子數漲落、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，其潛在規律與調控機制尚待深入探索。
圖1 (a)氫氣分子解離通道示意圖；(b)質子動量分布(壓縮度r=12)；(c)質子動量分布(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動下氫氣分子的解離過程，揭示了光的量子性質對分子解離動力學的調控。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。通過數值求解含時薛定諤方程，獲得了質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率增加，形成圖1c中心的“X”狀結構和豎直方向的點狀結構。同時，通道釋放的質子能量會隨著壓縮度的增大而減小。此時高光子數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，有幾率繼續在兩個電子態之間發生兩次跳躍，這種動態拉比耦合會導致解離過程動能釋放的降低。
圖2 (a)相位壓縮相干態下的質子動量分布；(b)振幅壓縮相干態下的質子動量分布
圖3 不同量子態光場下解離通道產率隨壓縮度的變化
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和振幅壓縮相干態下，得到的質子動量分布，分別如圖2a和2b，結果表明量子光場的壓縮性質對分子解離過程有重要影響。此外，研究人員還系統分析了這幾種不同量子態下，壓縮度對不同解離通道產率的調控，如圖3所示。結果表明，壓縮度作為一個可調參數可實現對解離通道的選擇性控制。光場的量子漲落顯著調制了各解離通道的相對產率，并且不同光場的調制各不相同，在真空壓縮態下(圖3a)，隨著壓縮度增加，不同解離通道之間出現動態競爭，導致通道的產率呈現“先升后降”的非單調變化；而在對于振幅壓縮相干態(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)，引發產率的變化。這些發現揭示了一種全新的量子調控機制，展示了通過調節光的量子特性，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項目以及國家自然科學基金項目的支持。
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