PRL：基于涡旋电子束的阿秒电子动力学成像

分子内不同电子态之间的耦合形成相干叠加态，这一叠加体现了量子相干性。对瞬态电子相干性的直接成像，有助于深入理解其在超快动力学过程中的作用，从而为控制电子运动和调控化学反应提供新的策略。然而，在传统的超快电子散射实验中，电子相干性信号往往被布居信号所掩盖，难以直接观测，使相关研究面临诸多挑战。近日，美国加州大学圣地亚哥分校Haiwang Yong（雍海望）教授和其课题组成员Haowei Wu（伍皓玮）在Physical Review Letters期刊上发表一项理论研究，提出了一种新颖的时间分辨涡旋电子散射技术，有望实现对孤立分子中瞬态电子相干性的空间解析。

图1. 上：超快涡旋电子散射示意图。下：超快涡旋电子散射的螺旋二色散射信号。图像来源：PRL

与传统的平面波散射不同，该方法创新性地采用具有轨道角动量的涡旋电子束作为探测脉冲，使散射信号受涡旋相位扭曲的调控（图1上）。这一调控效应与涡旋电子的轨道角动量量子数直接相关。研究团队通过理论推导和数值模拟证明，在具有相反轨道角动量量子数的涡旋电子散射信号中，唯有电子相干性的贡献存在差异。因此，利用涡旋电子散射的螺旋二色散射信号，可获得纯粹的电子相干性信号（图1下）。这一突破使得直接成像分子中瞬态电子相干性的时间演化及其退相干过程成为可能。

研究团队将该技术应用于噁唑分子光致激发后形成的量子相干叠加态的早期阿秒动力学过程。噁唑作为多种药物和合成中间体的关键组分部分，具有重要的化学和生物学意义。本研究聚焦于噁唑分子在ππ*激发后的初始阶段，此时基态与激发态势能面上的波包仍然重叠，原子核位置尚未发生显著变化，电子基态与激发态间的周期性演化促成其在分子内的周期性振荡。通过涡旋电子散射的螺旋二色性信号，研究者成功捕捉到了这一阿秒动力学过程中的电子运动。由于布局信号为零，所测得信号完全源自电子相干性贡献，因此呈现出与电子运动相同的周期性。此外，基于该信号仅包含电子相干的特性，研究者进一步利用其追踪了电子退相干过程。

该方法同样适用于电子自由度和原子核自由度高度耦合的情况，例如研究锥形交叉附近形成的电子相干过程及量子输运等问题。尽管其实验实现仍需技术上的进一步突破，该研究为后续实验奠定了坚实的理论基础，论证了该方法的可行性，并为分子中电子相干性的直接成像提供了新的发展方向。

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Diffractive Imaging of Transient Electronic Coherences in Molecules with Electron Vortices

Haowei Wu and Haiwang Yong*

Phys. Rev. Lett. 134, 073001 (2025), DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.073001

通讯作者简介

雍海望 教授，现为加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学系助理教授，博士生导师。课题组主要研究方向：超快光谱学，超快X射线散射，超快电子散射，飞秒化学以及阿秒化学。详情请访问：https://sites.google.com/ucsd.edu/yong