科學家首次實時拍攝化學鍵斷裂時電子的運動圖像

通過結合高速電子脈沖與新型分析工具，科學家首次實現了對電子和原子運動的實時成像。

化學教科書常聚焦反應的起始與終結，卻鮮少揭示其間發生的過程。觀察這些隱藏的瞬間至關重要，因為化學本質上受量子規律支配。通過實時捕捉電子與原子核如何協同運動，科學家終能驗證量子理論是否真正描述了化學反應，并揭示僅在化學鍵形成與斷裂時才顯現的效應。

然而，直接觀測這些過程曾被視為不可能——因為電子轉移與原子重排發生在超快時間尺度上。如今，上海交通大學的研究團隊在這一領域邁出了重要一步。

利用先進的超快電子衍射技術，研究人員成功對分子分解過程中電子與原子核在真實空間內的運動進行了成像。研究資深作者向遙（音譯）表示："研究電子動力學對基礎物理的推進以及在材料與化學科學中的應用研究具有重大意義。"

追蹤運動中的電子與原子

傳統衍射技術擅長追蹤較重的原子核，卻難以探測電子密度的細微變化。因此，科學家以往只能觀測原子運動，而無法看清驅動這些運動的電子。

該研究團隊通過將超快電子衍射（UED）的空間與時間精度提升至前所未有的水平，突破了這一局限。實驗中，他們以氨分子（NH?）為研究對象——這種簡單分子仍包含豐富的電子動力學過程。

首先，研究人員使用波長約200納米的短激光脈沖激發氨分子。這一"泵浦"脈沖將氮原子上孤對電子軌道中的一個電子，激發至與氮氫鍵相關的反鍵軌道。向遙解釋說："泵浦脈沖觸發后，氮原子孤對電子軌道中的電子被激發至N-H反鍵σ軌道，引發氨分子的傘形振動及N-H鍵解離。"

為追蹤后續過程，團隊向受激分子發射了一束超快高能（MeV級）電子脈沖。當這些"探測"電子穿過樣品時，它們受到原子核及周圍電子所產生電場的散射。探測器記錄的衍射圖案中，隱藏著分子內部電荷隨時間變化的分布信息。

解碼探測信號

該研究的重要亮點在于信號分析方法。團隊采用了"電荷對分布函數"分析技術。向遙指出："我們對實驗衍射強度進行CPDF分析，得以同時成像價電子與氫原子的動力學過程。"

CPDF使他們能同時分離并可視化三類相互作用：原子核-原子核、電子-原子核以及電子-電子關聯。由此，研究團隊得以同步繪制價電子轉移與氫原子運動的軌跡。得益于裝置的高靈敏度與信號質量，他們甚至成功追蹤了氫原子的運動——這曾是公認的難題，因為氫對電子的散射極弱且運動速度極快。

最終，研究獲得了氨分子光解離過程中電子軌道變化、電子密度演化及原子響應的實時實空間圖像——這是以往任何技術都無法實現的突破。

挖掘UED技術潛力

這項工作標志著化學與物理領域的重要進展。研究通過證明UED可直接探測價電子重排，突破了將原子視為獨立靜態散射體的傳統模型局限，揭示了實際主導化學反應的電子活動。長遠來看，該技術將深化人們對反應機理、能量轉移及分子量子效應的理解。

向遙補充道："我們的分析成功揭示了UED信號中豐富的電子動力學信息，包括電子軌道躍遷、電子密度演化動力學及電子-電子關聯。"

當然，該技術仍有局限。例如電子信號非常微弱，易被較重原子的散射信號掩蓋。下一步，研究團隊將優化方法并將其拓展至其他體系。向遙總結道："我們將把該方法推廣至更多分子體系，證明電子衍射技術即使在復雜有機分子中也能探測價電子重排的特征信號。"

該研究已發表于《物理評論快報》期刊。

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