基于量子化学计算的强场作用下乙炔分子单电离及轨道成像研究

Recently, it is found that the molecular orbital imaging of acetylene can be obtained by the lateral momentum distribution of the directly ionized electron of acetylene. However, due to the complexity of the molecular orbital wave function, the existing strong-field approximation (SFA) theory is still unable to complete the numerical simulation of this process. To solve this problem, we design to build a novel model with the combination of MOLPRO which is a quantum chemical computing software. Firstly, the spatial distribution of the molecular orbital wave function calculated by MOLPRO is applied to the SFA theory, using numerical integration, we can integrate the transition matrix element easily. This combination will make SFA theory more universal. Secondly, we need to comprehensively consider the space rotation of molecules. The lateral momentum distribution of anti-aligned and aligned molecules should be differentially normalized. Finally, we complete the numerical simulation of molecular orbital imaging. In addition, we will also work together with experimental group for explaining experimental phenomena with theoretical results. The successful development of this project is expected to develop a strong adaptive model which will interpret the multi-orbital effect in molecular ionization and provide first-hand data for coherent control of complex molecular chemical reactions.

近年来，实验中利用乙炔分子单电离电子横向动量分布，实现了对其分子轨道结构的成像。然而，由于乙炔分子轨道波函数的复杂性，现有强场近似理论模型尚无法对这一过程完成数值模拟。本项目以申请人近年来有关原子分子强场电离和分子轨道波函数的研究工作为基础，利用量子化学计算软件MOLPRO将现有强场近似理论模型拓展。一方面，将MOLPRO软件计算得到的分子轨道波函数空间分布应用到强场近似理论计算中，基于单电子近似得到乙炔分子单电离动量分布，使强场近似理论模型更具普适性；另一方面，利用模型的灵活性，综合考虑分子空间转动，将反排列和排列状态下乙炔分子直接电离横向动量分布进行差分归一化处理，最终实现对乙炔分子的轨道成像。此外，我们还将与实验组合作，用理论成果解释实验现象。本项目的顺利开展有望建立强适应性模型，解释分子电离中的多轨道效应，为相干控制复杂分子化学反应提供第一手数据资料。

2008年，Meckel等人在《Science》上首次报道了利用分子单电离光电子横向动量分布进行分子轨道成像的方法。报道中指出，将超短激光脉冲作用下处于反排列与排列状态的分子单电离光电子横向动量分布进行差分归一化处理，可以呈现出分子的电离轨道结构信息。该成像方法利用直接电离光电子信号进行轨道成像，避免了实验上的复杂性，减小了实验误差。.在此研究背景下，为了能用理论数值模拟结果解释实验现象，本项目拟利用量子化学计算软件MOLPRO将现有强场近似理论模型拓展。一方面，将MOLPRO软件计算得到的分子轨道波函数空间分布应用到强场近似理论的计算中，利用空间数值积分方法，解决分子跃迁矩阵无法积分的难题，使强场近似理论模型更具普适性；另一方面，利用强场近似理论模型优势，综合考虑分子空间转动，将反排列和排列状态下C2H2分子单电离横向动量分布进行差分归一化处理，完成轨道成像的数值模拟。.本项目在执行过程中主要围绕以下几个方面展开：.1、基于MOLPRO量子化学计算，将分子轨道波函数保存为空间二维或三维矩阵，通过空间积分的方法，拓展现有的强场近似理论(SFA)模型，使其可以模拟更多更复杂的分子体系；.2、由于强场近似理论的模型特点，低能部分电离信号无法精确模拟。将现有的强场近似理论结合库伦修正公式，对氢原子电离信号进行修正，氢原子电离动量谱的数值模拟结果有了极大改善，基本与TDSE方法得到的结果一致。.3、进一步扩展模型到更加复杂的分子，从最简单的双原子模型：氢分子离子到氧气、氮气分子，最终将乙炔分子作为研究对象，讨论数值模拟库伦修正后的结果的正确性。虽然乙炔分子结构更加复杂，但是通过MOLPRO计算得到的乙炔分子HOMO轨道波函数分布可以看出，其结构也可以归属于双中心结构，可以利用Two-Center-Coulomb-Volkov近似进行数值模拟。.4、宏观上光声成像、光声传感已经比较成熟，我们在此基础上研究了微观尺度下光声理论，以分子、原子、电子电离动量谱信号为研究目标，数值模拟微观尺度下是否有来自电子的“声音”。