摘要：分子的镜像对称性不再仅仅是结构概念。苏黎世联邦理工学院研究团队利用持续时间仅为阿秒（10^-18秒）的超短激光脉冲，首次在电子运动层面实现了对手性分子的实时观测和精确操控。这项发表在《自然》杂志上的突破性研究，将手性从静态的分子结构特征转变为可动态控制的电子现

信息来源：https://www.myscience.org/en/news/2025/electrons_reveal_their_handedness_in_attosecond_flashes-2025-ethz

分子的镜像对称性不再仅仅是结构概念。苏黎世联邦理工学院研究团队利用持续时间仅为阿秒（10^-18秒）的超短激光脉冲，首次在电子运动层面实现了对手性分子的实时观测和精确操控。这项发表在《自然》杂志上的突破性研究，将手性从静态的分子结构特征转变为可动态控制的电子现象，为药物开发、信息处理和生物传感器技术开辟了全新的技术路径。

由物理化学教授汉斯·雅各布·沃纳领导的研究团队，成功捕捉了当圆偏振光照射手性分子时电子的不对称发射过程。他们不仅测量了这一被称为"光电子圆二色性"的效应，更令人惊讶的是实现了对电子发射方向的实时操控和逆转。这一成果标志着人类对分子手性理解的根本性转变，从传统的结构化学观点跃升到量子电子动力学的全新高度。

手性电子动力学的技术突破

当旋转光照射手性分子时，电子优先向前或向后发射。阿秒脉冲（蓝色) 和红外脉冲 (红色）可以操纵和反转方向。（图片：Alexander Blech / 柏林自由大学）

手性现象在自然界中无处不在，从我们的左右手到DNA双螺旋结构，再到构成生命的氨基酸和蛋白质，都展现出明确的镜像不对称性。在制药工业中，这种不对称性具有生死攸关的重要性：同一药物分子的左旋和右旋形式可能产生完全不同的生物效应，一个治病，另一个可能致命。

传统观点认为，手性主要是分子几何结构的静态特征。然而，沃纳团队的研究揭示了一个更加动态和复杂的图景。当手性分子受到圆偏振光激发时，电子的发射并非随机分布，而是展现出明确的方向性偏好。根据分子的手性（左旋或右旋）以及激发光的旋转方向，电子会优先向前或向后发射。

研究的第一作者、前博士后研究员孟韩解释道："我们不再仅仅将手性理解为分子结构的静态特征，而是将其视为手性体系中电子的动态行为。"这种认识上的转变意味着手性不仅是化学结构问题，更是量子力学层面的电子运动现象。

实验的核心技术突破在于超高精度的阿秒激光系统。这套装置能够产生圆偏振的阿秒脉冲，其时间分辨率达到了前所未有的精度。阿秒是一个极其短暂的时间单位，相当于光在一个原子内传播所需的时间。只有在这样的时间尺度上，科学家才能观察到电子在分子内的真实运动轨迹。

精确操控的实验验证

研究团队的实验设计极其精巧。他们使用圆偏振的阿秒脉冲作为"探针"，结合时间上精确叠加的圆偏振红外光束作为"控制器"。这种双脉冲配置不仅能够测量电子从手性分子中发射的速度和方向，更重要的是能够主动操控这些参数。

实验结果显示，通过调节光束的旋转方向、相对相位和时间延迟，研究人员可以精确控制电子的优先发射方向。更令人惊讶的是，他们甚至能够完全逆转电子的发射方向偏好，这在传统的结构化学框架下是无法解释的现象。

这种控制能力的实现依赖于对量子干涉效应的精确操控。当两束激光脉冲在分子中产生的电子波函数发生干涉时，其干涉图样会根据分子的手性特征而呈现出不同的空间分布。通过调节激光参数，研究人员实际上是在量子层面重塑了电子的波函数，从而改变了其发射特性。

这一技术突破的意义远不止于基础科学研究。它为实时、高精度的手性检测提供了全新方法，检测灵敏度可能比现有技术高出数个数量级。在制药工业中，这种技术可能实现对药物分子手性的实时监控和质量控制。

应用前景与技术影响

这项研究的应用前景极其广阔，涵盖了从基础科学到工业应用的多个领域。在制药工业中，新技术有望实现更精确、更快速的手性药物检测和纯化。传统的手性分离技术往往需要复杂的化学分离过程，而基于电子动力学的新方法可能提供更直接、更高效的解决方案。

在信息处理领域，电子自旋和手性的耦合效应可能催生新一代的自旋电子学器件。这些器件利用电子的自旋自由度而非仅仅依赖电荷来存储和处理信息，有望实现更低功耗、更高密度的信息存储和处理技术。

生物传感器技术同样将从这一突破中受益。许多生物分子的功能都与其手性密切相关，而能够实时监测分子手性变化的传感器将为生物医学研究和临床诊断提供强大工具。例如，在蛋白质折叠研究中，实时监测蛋白质手性变化可能揭示疾病发生的分子机制。

更为深远的影响可能在于对生命手性起源问题的探索。地球生命为什么选择了特定的手性形式？这一问题困扰科学家数十年。新技术提供的高精度手性动力学测量能力，可能为理解这一生命科学的根本问题提供关键线索。

技术挑战与未来发展

尽管取得了重大突破，但将实验室技术转化为实际应用仍面临诸多挑战。阿秒激光系统目前仍然极其复杂和昂贵，需要高度专业化的操作环境。如何简化系统结构、降低成本，使其适合工业化应用，是技术发展面临的主要挑战。

另一个挑战来自于测量环境的要求。阿秒级的时间分辨率对实验条件极其敏感，任何微小的干扰都可能影响测量精度。开发更稳定、更便携的测量系统将是技术实用化的关键。

研究团队已经开始探索技术的进一步发展方向。他们计划将研究扩展到更复杂的分子系统，包括生物大分子和纳米材料。同时，他们也在开发新的激光技术，希望能够实现更高的时间分辨率和更强的控制精度。

从更广阔的科学视角来看，这项研究开启了一个全新的研究领域：手性电子动力学。这个领域位于量子物理、化学和生物学的交叉点，有望产生更多突破性发现，推动我们对物质微观世界的理解达到新高度。

来源：人工智能学家