氢气分子是自然界最简单的分子，是人们认识自然、理解复杂分子丰富的超快物理行为的重要基础。其中，氢气分子的单电离解离这一物理过程尤为重要，是探索诸多重要物理过程的关键，例如分子中电子的局域诱导的化学键定向断裂过程，分子的电离增强机制，分子中光子能量的吸收和分配原则等等。在激光场作用下，氢气分子发生光电离失去一个价电子，产生的氢气离子随后可以通过不同的路径解离成一个氢原子和一个氢离子。比较典型的两种解离路径是单光子解离路径和净双光子解离路径。由于这两个路径中吸收光子数目的不同，产生的离子碎片会获得不同的动能。通过选择具有不同动量的离子碎片，实现了大量关于这两种解离通道性质的研究，但是这两个过程中所涉及的时间衍化信息却仍然是个谜。

吴健教授团队创新性的提出利用亚周期时间分辨的超快分子钟技术，将偏振旋转飞秒激光脉冲中通过符合测量得到的电子和离子作为分子钟的起点和终点，实现了对氢气分子单电离解离过程不同路径中化学键拉伸的实时追踪。实验上飞秒脉冲光首先通过多级波片产生两束偏振方向垂直时间相对延迟的子脉冲，随后通过Berek补偿器。旋转Berek补偿器调节两束子脉冲之间的相位来构造偏振方向随时间不断转动的激光场。该激光场的偏振方向和激光演化时间一一对应，像“码表”一样将氢气单电离解离过程的光电离时刻和单光子耦合时刻编译到了产生的离子和光电子的动量分布中。分析不同路径对应的离子和光电子动量分布，实验发现两种解离路径中，氢气离子分子键从光电离时刻的平衡位置拉伸到单光子跃迁位置所需要的时间基本相同。同时，这一结论在氢气分子的同位素分子氘气的单电离解离过程中也得到了验证。该亚周期时间分辨的超快分子钟技术，为探测分子超快动力学行为提供了一种简单而强大的工具，为探索更多复杂分子中的超快过程提供了新的可能性。相关研究结果发表在Phys. Rev. Lett. 123, 233202 (2019)。

图1：亚周期分辨超快分子钟技术原理示意图