Rotational excitation of molecules in the regime of strong ro-vibrational coupling: Comparison between an optical centrifuge and a transform-limited pulse

分子并非静态、刚性的物体；它们始终在运动，像微小的、混乱的陀螺一样旋转和振动。在量子物理学领域，科学家们长期以来一直寻求控制这种运动的方法，特别是分子的旋转运动。一种强大的方法是利用激光脉冲“抓住”分子并使其旋转到惊人的速度，从而创造出研究人员称之为“超旋转分子”（super-rotors）的现象。这些分子的旋转速度极快，以至于它们会发生拉伸和变形，挑战了科学家通常用来描述它们的简单模型。几十年来，这种技术在具有极强化学键的轻分子上效果最好，因为在这种情况下，可以研究其旋转运动而不会受到分子内部振动的干扰。然而，在处理较重或化学键较弱的分子时，旋转与振动会紧密耦合。随着分子旋转得更快，它也会振动得更剧烈，这种联系会导致分子破碎。研究人员面临的问题是，是否存在一种方法，可以在不因激发振动而意外将其震碎的情况下，使这些较重的分子旋转到极高的速度。

为了回答这个问题，一个物理学家团队利用一种被称为铷二聚体（由两个铷原子组成）的重分子进行了详细的理论研究。他们模拟了该分子在受到两种不同类型激光脉冲打击时的行为，这两种脉冲携带的能量完全相同。第一种脉冲是标准的短促光脉冲，而第二种是专门的“光学离心机”。这种离心机脉冲非常独特，因为它的偏振（即光电场指向的方向）随时间推移旋转得越来越快，从而有效地抓取并加速分子的旋转。研究人员想看看这种逐渐加速的旋转是否能比标准脉冲更好地控制分子的旋转，特别是通过保持分子振动的平稳并防止其破碎。

模拟结果揭示了两种方法之间的明显差异。当标准的短激光脉冲击中分子时，它会非常迅速地传递能量。这种快速的能量传递虽然使分子旋转起来，但也剧烈冲击了分子的内部结构，导致其振动能级出现显著的弥散。分子最终处于一种高速旋转与剧烈且失控的振动交织的混乱状态，这增加了其解离的风险。相比之下，光学离心机脉冲更像是一只温柔且逐渐加速的手。因为它在较长时间内逐渐传递能量，所以能够在保持分子振动异常安静的同时，将其旋转到极高的速度。分子达到了极高的旋转能级，但其内部振动仍紧密聚集在原始水平附近，这表明离心机能够有效地将旋转运动与震动运动分离。

这种区别至关重要，因为它表明光学离心机提供了一种方法，可以在不触发通常会导致解离的破坏性振动的情况下，为较重的分子制造出超旋转分子。研究表明，虽然标准脉冲在旋转模式和振动模式之间产生了一种宽泛且混乱的能量分布，但离心机却能将振动能量控制在较低水平。即使研究人员增加离心机脉冲的强度以使分子旋转得更快，其振动弥散程度仍比标准脉冲窄得多。结果表明，离心机是完成这一特定任务的更优工具，它能够高效地攀登旋转能级的“阶梯”，同时让振动能级的阶梯基本保持不动。

这些发现同样适用于在激光打击前已处于激发振动状态的分子。在这些情况下，标准脉冲再次引起了宽泛且失控的能级混合，而离心机则维持了更紧凑、更受控的分布。研究人员发现，离心机在从这些起始状态创建高速旋转子方面特别有效，而标准脉冲由于能量被分散到不需要的振动中，往往无法达到同样高的速度。这种在驱动旋转的同时控制振动状态的能力表明，光学离心机可以用于研究那些“分子是刚性且不变”这一简单假设失效的分子动力学领域。

最终，这项工作证明了能量传递给分子的方式与能量的总量同样重要。通过使用一种能逐渐加速旋转的脉冲，科学家可以实现一种突然、剧烈的爆发所无法达到的控制水平。光学离心机证明了它是一种精确的仪器，能够在保护结构完整性的同时，将分子旋转到极端极限，为研究此前因难以操控而导致破碎的重分子开辟了新的实验途径。该研究证实，只要拥有正确的脉冲形状，就有可能掌控旋转与振动之间复杂的舞蹈，即使在足以撕裂分子的旋转速度下，也能保持分子的完整。