阿秒级手性光电离动力学的精密操控与测量：电子涡旋的手性光谱学新突破

研究人员通过开发圆偏振阿秒脉冲技术，结合冷靶反冲离子动量谱（COLTRIMS）系统，首次实现了对手性分子光电子圆二色性（PECD）的阿秒级相干操控，并测量了高达240阿秒的手性敏感光电离延迟。该研究解决了传统手性光谱技术无法观测电子动态过程的难题，为理解手性诱导自旋选择性（CISS）等机制提供了全新工具，相关成果发表于《自然》期刊。

在自然界中，分子手性如同人类的左右手，其镜像对称却不可重叠的特性深刻影响着生命活动与材料性能。传统观点将手性视为静态结构属性，但近年研究发现，电子动态行为才是手性相互作用的核心驱动力。然而，受限于飞秒激光技术的时间分辨率与线性偏振特性，科学界长期无法直接观测阿秒尺度的手性电子动力学。这一瓶颈随着Meng Han、Jia-Bao Ji等团队在《自然》发表的研究被突破——他们通过创新性结合圆偏振阿秒脉冲与三维动量分辨技术，首次实现了对手性光电离过程的实时操控与测量。

关键技术方法

研究采用非共线高次谐波产生装置产生圆偏振阿秒脉冲串（XUV APT），与近红外（IR）激光时空重叠形成双色场。利用冷靶反冲离子动量谱（COLTRIMS）系统对甲基环氧乙烷（MeOx）的光电子和离子碎片进行符合测量，通过重建阿秒拍频干涉（RABBIT）技术解析时间延迟。实验保持10^-12 mbar超高真空，使用30 μm喷嘴的超音速分子束输送样品，并采用主动锁相系统控制XUV-IR延迟（精度30阿秒）。

研究结果

1. 阿秒相干操控PECD

通过对比单色XUV与双色XUV+IR场的光电子角分布（PAD），发现共旋转圆偏振IR场可使PECD信号增强近一倍（图2c）。当XUV（H7-H13谐波）与IR脉冲相位差变化时，PECD呈现2ω_IR周期振荡（图2d），证实通过路径干涉可实现阿秒级手性调控。

2. 手性光电离延迟测量

在线性偏振IR场中，前向（0°-90°）与后向（90°-180°）光电子波包出现60阿秒的时间差（图3f），且R/S对映体延迟符号相反。角度分辨测量显示，圆偏振双色场中延迟变化达240阿秒（图4c），其中60阿秒源于连续-连续跃迁的手性贡献（扩展数据图5）。

3. 分子各向异性影响

理论模拟表明，相比模型分子CHBrClF，MeOx的各向同性特性使PECD增强因子降至2倍（扩展数据图1）。通过修正人工共振效应，计算结果与实验数据误差小于15%（图3f）。

结论与意义

该研究创立了"阿秒手性光谱学"新范式，其三大突破尤为突出：（1）首次实现PECD的主动操控，将不对称性提升至16%；（2）揭示光电离延迟的立体角依赖性，确立3D动量分辨的必要性；（3）分离出连续态跃迁的手性贡献（60阿秒）。这些发现为破解手性诱导自旋选择性（CISS）效应中电子-核耦合机制等悬案提供了关键工具，对自旋电子学、单向分子机器等应用具有指导价值。正如作者指出，这项技术有望通过时间分辨手段区分电子动态与结构动力学，最终解答"手性如何产生自旋极化"这一困扰学界数十年的难题。