正如对六氟化硫分子进行的时间分辨实验所证明的那样，电子间的量子力学交换相互作用是泡利不相容原理的结果，它可以在几飞秒的时间尺度上用强红外光场进行特殊修改。在将来，这一发现可能会导致对基于电子的激光化学反应进行自下而上的完全控制。

电子会在分子中形成键，这在化学反应中起了决定性的作用。在原子和分子中，电子排列在一系列以量子数(是用来标记量子态的特征数字)为特征的能级上。就它们的作用而言，这些电子间的相互作用——量子力学上称为交换相互作用——也起着重要作用。这是因为电子的行为就像微型陀螺仪：它们有一个可以指向两个方向的自旋。根据量子力学定律，一个分子的几个电子可能永远不会在所有量子数上重合，这就是为什么具有相同自旋排列的电子会“相互避开”的原因。这也就是著名的泡利不相容原理。另一方面，只有具有相反自旋的电子才能彼此靠近并形成对。

原子和分子中的电子可以被光激发，即它们可以从较低的能级提升到较高的能级。能级的位置决定了哪些颜色的光被吸收——这些是各个原子或分子的特征，它在光谱学中产生了独特的指纹。通常，电子随后会非常迅速地释放这种能量，例如以光(荧光)或热(原子核的运动)的形式释放。然而，从分子的激发态也可以发生直接的光化学反应。

Christian Ott是马克思·普朗克研究所核物理部(MPIK)Thomas Pfeifer小组的研究人员，他们正在研究用激光专门操纵分子，以便让这些分子经历特定的反应。现在，他们通过一个棘手的实验和理论模型成功地朝着这个目标迈出了一步，他们与海德堡大学理论物理研究所的Maurits Haverkort小组一起开发了该模型。

物理学家首次实现了一种方法，该方法可以用两种不同颜色的激光脉冲影响和测量结合在分子中的几个电子间的有效交换相互作用。他们使用了软X射线来激发与六氟化硫分子中的硫原子深度结合的电子，从而在它离开分子之前的短时间内将其运动半径扩展到整个分子。

由于深度束缚的电子存在所谓自旋轨道相互作用，硫原子上形成的空穴因此产生了能在X射线吸收光谱中可测量的两条线的双结构特征。MPIK的学生、该研究的第一作者Patrick Rupprecht博士解释说：“然而现在，激发电子与剩余空穴的交换相互作用再次改变了这种双结构。”

现在，同时受到照射的强红外激光可以进一步驱动受激电子的运动：这就是极化现象。正如他们发表在《物理评论快报》上的论文所说的一样，这导致与硫原子空穴的有效交换相互作用发生了改变。这在实验中表现为两条线相对强度的特征变化，并且它可以归因于相关电子态的对称性。

小组负责人Christian Ott补充道：“为了专门研究电子的运动，而且不受随后原子核运动的影响，我们使用了一种超快技术，它是一种只持续几飞秒的短激光脉冲。测量结果表明，激光显著影响了所涉及电子间的有效交换相互作用——这种影响的程度可以通过激光的强度来进行控制。”而且量子理论的从头算(ab-initio)模拟支持了这个结果，这为使用激光作为一种直接解决键合电子的、量子力学水平上的基本化学试剂指明了方向。(编译:Qtech)