近日，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所柳曉軍研究小組提出基于飛秒強激光與氣相分子相互作用對分子結(jié)構(gòu)進行層析成像的新方案，并成功從實驗上演示了該方案的可行性。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并被遴選為“PRL Editors' Suggestion”。
　　分子成像技術(shù)在物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域中扮演著重要角色。X-射線衍射和電子衍射是測定分子結(jié)構(gòu)的兩種典型方法，它們分別借助外部光子和電子撞擊分子靶實現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)成像。近年來，隨著超快強激光與氣相原子分子相互作用研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)可利用強激光驅(qū)動分子產(chǎn)生的相干電子波包對分子自身結(jié)構(gòu)進行自探測，通過解析電子波包與母離子相互作用引起的光電子衍射圖案，獲得分子結(jié)構(gòu)及其超快動力學(xué)演化信息，實現(xiàn)分子自成像。相比傳統(tǒng)的X-射線衍射和電子衍射，該方法同時具備亞飛秒時間與亞?？臻g分辨能力。然而，目前自成像方法需要事先獲得分子中原子組分的微分散射截面，再借助極復(fù)雜的計算反演過程才能提取出分子結(jié)構(gòu)信息。
　　近日，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員柳曉軍、副研究員賴炫揚、博士生孫仁平等提出并實現(xiàn)了一種改進的、更為普適的自成像方案，可以避免原子微分散射截面對分子結(jié)構(gòu)信息提取的影響，且無需復(fù)雜的計算反演。與傳統(tǒng)的自成像方法不同，在他們提出的方案中，通過固定光電子探測方向，改變待測分子的分子軸相對探測方向的角度，從探測到的光電子產(chǎn)量隨分子軸取向角的變化直接提取分子結(jié)構(gòu)信息，其思想本質(zhì)類似于一種層析成像方法，因此也可稱作自層析成像。由于原子微分散射截面不依賴于分子軸取向，該方案巧妙地避免了該原子參數(shù)對不同分子取向條件下的光電子產(chǎn)量及基于此的分子結(jié)構(gòu)成像的影響，克服了現(xiàn)有自成像方法存在的缺陷。結(jié)合前期發(fā)展起來的高準(zhǔn)直度的分子準(zhǔn)直技術(shù)，研究團隊選擇雙原子分子體系開展了相關(guān)實驗研究，并成功從氮氣分子的光電子譜中直接讀取出分子核間距信息，首次演示了分子自層析成像方案的可行性。該方案可望拓展應(yīng)用于更復(fù)雜的氣相分子體系，如用于讀取多原子分子體系的分子核間距信息。
　　該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金和中科院先導(dǎo)B專項的資助和支持。
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　　分子自層析成像原理圖。飛秒強激光驅(qū)動下氣相分子發(fā)生隧穿電離，當(dāng)激光電場反向時，隧穿電離電子波包返回分子的雙原子中心附近并與之發(fā)生相互作用，形成光電子衍射圖案。通過解析不同分子軸取向下的光電子譜可以直接提取出分子核間距信息。