分子量子态的调控和精密测量
化学反应动力学研究的一个根本任务是认识反应过渡态如何控制化学反应的速率和产物分布，因此，长期以来直接观察反应过渡态被认为是化学科学研究中的一个“圣杯”。但对于多数化学反应来说，反应过渡态寿命非常短（飞秒数量级，1飞秒等于10-15秒），实验上直接观测这些短寿命化学反应过渡态是极其困难的。反应共振态是化学反应体系在过渡态区域形成的具有一定寿命的准束缚态，类似于分子中的光谱特征线所对应的振动转动态。它提供了一个实验直接观察化学反应在过渡态附近行为的契机，进而可以利用共振态对化学反应的一些细节开展详细研究。在更深层次上，研究反应共振态还可以帮助我们认识量子力学是如何直接影响化学反应动态过程的，这对于我们从根本上如何理解化学反应过程具有重要的学术意义。
随着化学反应机理研究的深入，人们发现，将分子制备到振动激发态，能够观测到更丰富的量子共振现象，如图1所示，这些共振态只能通过反应物的振动激发，而不能通过平动能的增加来经历。这些研究表明对于化学反应，分子振动激发不仅提供能量，也能开启新的反应通道，从而使我们能观察到在基态反应中所无法观察到的共振现象。最新的研究表明，通过调控量子态，能够控制反应物化学键的方向，实现化学反应的立体动力学精准调控。这些发现的背后，存在一个更有普遍意义的科学问题，这些量子共振和立体动力学效应是否存在于更多的反应体系中？揭示和理解这些效应将帮助我们更加深入地理解化学反应的微观本质。然而，分子的单量子态制备技术极具挑战。对于化学上感兴趣的分子，目前没有很好的分子操控和量子态制备方法。
图1. 分子量子态的调控与化学过程中的量子现象
我们提出，可以用精密连续激光实现分子振转量子态的制备。传统的基于脉冲激光的振动量子态制备技术多利用了Raman光谱的原理，如图2所示。脉冲激光能量很高，因而激发效率高，但脉冲光占空比很低，激发态在整个分子束中的占比很低。受限于Raman跃迁的截面，脉冲激发技术目前仅适用于低振动激发态的制备和调控。连续激光与分子束作用，可以实现整个分子束中分子的激发，这种方法通用性比较好，能够适用于大部分分子。但是分子的振动跃迁比较弱，比如分子红外振动跃迁比原子跃迁一般要弱6-8个数量级，要想实现振动量子态高效率的制备，需要千瓦量级的功率，如果要持续激发还需要对激光频率和相位精确控制，这就对光源和激光控制技术提出了更高的要求。通过实验室发展起来的精密激光和光腔增强技术不仅能够精密控制激光的频率和相位，还能够实现激光在光腔内等效功率4-5个数量级的增益，使得分子振动态的高效率激发成为可能。
图2. 分子振动量子态制备技术对比
在分子振动量子态制备的基础上，我们还可以进行一些量子光学的拓展。如图3所示，我们用一束中红外光（MIR）和一束近红外光（IR）同时与分子作用，可以对分子取向进行主动调控，真正做到分子微观行为的操控。原理也十分简单，利用很强的MIR光、选择特定的分子能级可以分子产生很强的作用，此时分子的振动量子态会发生一种Autler-Townes分裂的量子光学效应，分子的转动态（J量子数标记）甚至转动子能级（MJ量子数标记）都会分裂成能量不同的分立能级，用另一束IR光就可以将分子制备（极化）到选定的子能级上。由于分子的MJ子能级代表着分子的转动角动量在分子轴上的投影方向，将分子选择性制备到特定子能级上意味着我们可以调控分子的角动量的投影方向，对分子微观上的空间取向进行调控。
图3. 利用双色激光进行分子取向的调控
目前，我们研制了精密红外光源，发展了功率增强技术，实现了数千瓦的等效功率，成功实现了分子振动态的制备。基于这些进展，我们将量子光学技术应用到分子的量子态调控领域，从微观层面调控分子。此外，我们还计划发展分子冷却技术，对分子的运动进行宏观调控。有了微观调控和宏观调控这两大利器，我们就可以开展更精细的分子动力学和精密光谱研究。