根据电子是更接近氧原子还是更接近碳原子，激光脉冲激发出电子的时间会有细微不同。现在这种差异可以被精确地测量出来。

图源：苏黎世联邦理工学院

当一个光子撞击到一种材料上时，只要该光子有足够的能量，就可以从材料中激发出一个电子。在1905年这个“奇迹年”期间，Albert Einstein在伯尔尼发现了这种现象的理论解释，即所谓的光电效应。该理论对于当时正在进行的量子力学的发展至关重要，并为他赢得了1921年的诺贝尔物理学奖（Nobel Prize in Physics）。

现在，由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）量子电子研究所（Institute for Quantum Electronics）Ursula Keller率领的一个国际物理学家团队，为这一重要效应的实验研究增添了新的内容。利用原秒激光脉冲，他们能够测量电子从分子中发射出来的微小时间差，而该时间差取决于电子在分子内所处的位置。

分子中的复杂过程

博士生Jannie Vos说：“相当长一段时间以来，人们已经研究出原子中光电效应的时间演变，但迄今为止关于分子中的研究还很少。”

这主要是由于分子比单个原子复杂得多。在原子中，围绕原子核运动的最外层电子实际上是从其轨道上发射出来的。相比之下，在分子中，两个或多个原子核共享一个电子。它的位置取决于不同吸引势之间的相互作用。在这种情况下光电效应究竟是如何发生的，只能通过现在的精密研究来了解。

立体中的魏格纳时延

为此，Keller和她的同事使用了一氧化碳分子，它由两个原子组成——一个碳原子和一个氧原子。这些分子暴露在仅持续几个原秒（一秒的一百亿亿分之一）的远紫外激光脉冲下。紫外光子的能量将电子从分子中剥离出来，随后这些分子分解为组成它们的原子。其中一个原子在这个过程中转化为带正电的离子。

然后，研究人员用一种特殊的仪器测量电子和离子飞走的方向。第二个激光脉冲，作为一种标尺，则用于确定电子离开分子的精确时刻。

Keller团队的博士后研究员Laura Cattaneo解释道：“通过这种方式，我们第一次能够测量所谓的立体魏格纳延时效应（Stereo Wigner time delay）。”基于立体魏格纳延时效应，可以测量出当光电离发生时，如果电子更靠近氧原子或碳原子，则电子离开分子的时间差。

极短的激光脉冲使人们能够测量几原秒内的瞬间。根据这些信息，反过来就可以以十分之一纳米的精度确定分子内电离事件发生的位置。实验结果与描述电子在光电离时的最可能位置的理论预测非常吻合。

对大分子的新见解

接下来，苏黎世联邦理工学院的研究人员计划从笑气N2O开始，对大分子进行更深入的研究。该分子中额外的原子使得理论描述更加困难，但同时物理学家们希望藉此获得新的见解，例如所谓的分子内电荷迁移在化学过程中起重要作用。

从原则上讲，原秒激光脉冲甚至有可能不仅用于研究这些过程，而且还可有意识地控制这些过程从而精细控制化学反应。然而，目前要实现这样的目标还有很长的路要走，正如Jannie Vos指出的那样：“从理论上来说这非常令人兴奋，但在我们实现这一切之前还有很多事情要做。”

参考文献：

1. J. Vos, L. Cattaneo, S. Patchkovskii,T. Zimmermann,C. Cirelli, M. Lucchini, A. Kheifets,A. S. Landsman, U. Keller. Orientation-dependent stereo Wigner time delay and electron localization in a small molecule. Science, 2018; 360 (6395): 1326 DOI: 10.1126/science.aao4731