近日，《自然通讯》（Nature Communications）在线刊发了陆培祥教授领导的“强场超快光学”创新研究群体题为《Ultrafast imaging of spontaneous symmetry breaking in a photoionized molecular system》的研究论文。我校为第一单位，陆培祥教授、曹伟教授以及北京大学的刘运全教授、李铮研究员为论文共同通讯作者，黎敏教授和北京大学博士生张明为论文共同第一作者，物理学院引力中心的曹鲁帅副教授在分子动力学模拟方面做出了重要贡献。

姜泰勒（Jahn-Teller）效应是非绝热电子-核耦合的重要机制，该效应在分子、固体等体系中普遍存在。Jahn-Teller效应也是一个典型的自发对称性破缺过程。在过去几十年中，人们已经通过多种手段观测到了Jahn-Teller效应导致的特征现象，但是对Jahn-Teller效应动态过程的时间分辨测量仍然是一个巨大挑战，目前还没有实现对分子结构自发对称性破缺的实时观测。分子结构自发对称性破缺的实时观测对于理解化学反应中化学键的断裂以及分子动力学过程中能量和电荷转移等具有重要的意义。

陆培祥教授、黎敏教授、曹伟教授等与北京大学的刘运全教授、李铮研究员以及德国海德堡大学的Oriol Vendrell教授合作提出了利用时间分辨的库伦爆照成像技术对甲烷分子离子的Jahn-Teller形变过程进行实时探测的实验方案，如图1所示。在该方案中，首先利用一束泵浦激光将甲烷分子电离成一价离子，由于电离过程非常快，甲烷分子的一价离子仍保持正四面体构型（T_d），T_d构型会通过Jahn-Teller效应自发地形变为C_3v构型和C_2v构型。再通过一束强探测光将处于C_3v构型和C_2v构型的甲烷一价离子进一步电离并发生库伦爆炸。由于C_3v和C_2v构型所对应的库伦爆炸碎片是不同的，通过探测不同库伦爆炸碎片的能量和动量分布并连续扫描泵浦和探测激光之间的时间延迟，可以实现Jahn-Teller效应的动力学过程的实时观测。利用超快光学团队的COLTRIMS实验平台实现了这一实验方案，并且测量出了甲烷分子离子从C_3v到C_2v的Jahn-Teller形变的特征时间约为20 fs（1 fs=10^-15 s）。经典和量子的分子动力学模拟均和实验测量结果得到了很好的吻合，结合分子动力学模拟发现Jahn-Teller形变的动态过程中涉及到甲烷分子离子多个振动模式之间的复杂干涉。这一工作对于理解强激光场诱导的分子结构重排以及分子内部的超快动力学过程等具有重要的意义。

图1 甲烷分子离子Jahn-Teller形变的探测方案

该工作得到了科技部国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金委创新群体项目以及优秀青年基金项目的资助。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24309-z