探索液晶超快动力学：从阿秒光谱到功能材料设计

《Communications Chemistry》：Women in chemistry: Q&A with Dr Laura Cattaneo

本期《Communications Chemistry》对话马克斯·普朗克核物理研究所Laura Cattaneo博士，探讨如何通过高次谐波产生（HHG）和太赫兹光谱等超快光谱技术，解析液晶材料中电子-核耦合机制。研究首次在温度敏感的有机系统中实现HHG，并发现发射光可表征系统有序度，为设计可调控功能材料开辟新途径。

　　

在化学物理的交叉前沿，理解分子系统中电子与原子核的超快动力学过程一直是科学家面临的重大挑战。传统研究多局限于简单或高度有序的体系，而像液晶这类兼具结构灵活性与功能特性的有机材料，其动力学过程尚未被充分探索。更关键的是，如何在阿秒（10^–18秒）量级——物质运动的最短时间尺度上捕捉电子行为，成为领域内亟待突破的技术瓶颈。

针对这一挑战，马克斯·普朗克核物理研究所Laura Cattaneo团队开展了“超快液晶动力学”研究。课题组自主搭建了包含太赫兹与高次谐波产生两条核心光束线的激光实验室，结合大型自由电子激光装置，首次在温度敏感的液晶体系中成功产生高次谐波。令人惊喜的是，实验发现谐波信号不仅能反映系统有序度，还携带了关于电子构型单元尺寸的关键信息，这直接推翻了“单个分子主导响应”的传统认知。相关成果发表于《APL Photonics》，并正推进后续研究以验证单元尺寸的物理机制。

关键技术方法

研究主要依托高次谐波产生（HHG）光谱与太赫兹光谱联用技术，结合X射线自由电子激光装置进行互补表征。团队自建激光实验室涵盖从样品制备到超快探测的全流程，实现了从皮秒到阿秒的多尺度动力学分析，特别针对液晶等软物质体系优化了探测灵敏度。

研究结果

1. 1.
   高次谐波在液晶中的可行性验证
   通过定制化光束线，在液晶中首次实现HHG，证实有机柔性材料同样适用于阿秒物理研究。
2. 2.
   光信号与系统有序度的关联性
   谐波强度与波长分布直接关联液晶分子排列有序度，为无损表征软材料结构提供新方案。
3. 3.
   超分子单元尺寸的发现
   谐波相位分析揭示电子构型源于分子间协同作用，而非单分子响应，推动对功能材料设计范式的重新思考。

结论与展望

该研究突破了超快光谱技术应用于复杂有机材料的限制，首次将液晶确立为研究电子-核耦合的可调控平台。其发现的功能单元尺寸效应，为理解超分子系统中的集体行为提供了新视角。未来通过整合大型科学装置与桌面式激光系统，有望实现“材料结构—动态功能”的精准设计，推动光子学、量子技术等领域的材料创新。正如Cattaneo所强调：“沟通才是科学的真正引擎”，这项跨学科研究正是通过技术突破与团队协作，将基础科学问题转化为功能材料设计的钥匙。