材料科学领域的发现和进步往往为技术突破奠定基础，重塑许多工业和商业领域，包括医学、消费电子产品和能源生产等。然而，实验技术的发展是新材料探索的关键基础，为突破性发现铺平了道路。这些技术使科学家能够深入研究材料的化学和物理特性，从而获得实现其潜在应用所必需的见解。

在最近发表在《物理化学 A 杂志》上的一项研究中，日本千叶大学副教授 Kaori Niki 领导的研究小组报告了一种通过实验可视化分子轨道 (MO)(特定分子中电子的分布和状态)的新方法。他们的最新论文于 2023 年 9 月 29 日提交，并于 2023 年 3 月 26 日在线发表，由千叶大学的 Rena Asano 女士和 Manabu Hagiwara 教授、筑波大学的 Yoichi Yamada 教授和广岛市立大学的 Kazushi Mimura 教授共同撰写。

所提出的方法以光发射轨道断层扫描 (POT) 为中心。该技术包括测量材料吸收入射光能量后释放的电子的分布和动量。通过映射这些变量，理论上可以计算出材料的 MO。尽管传统的 POT 很有前景，但它面临着几个挑战，极大地限制了它的适用性。首先，需要进行多轮 POT 测量来探测不同光子能量下的材料并重建三维 MO。这需要时间并且需要复杂的实验方案。其次，为了正确解释给定材料中分子取向和变形的差异，有必要将 POT 与其他分析技术相结合，这非常昂贵且繁琐。第三，传统的 POT 技术对测量数据中的噪声很敏感，这使得观察小的 MO 变得困难。

为了解决所有这些限制，Niki 教授的团队开发了一种基于数学分析工具(称为 PhaseLift 算法)的新型 POT 技术。该算法旨在解决信号和图像处理中的一个基本问题：从不完整或间接测量中重建信号或图像。使用 PhaseLift，研究人员将通过 POT 获得的光电子动量图 (PMM) 简化为更易于管理的形式，从而使他们能够更轻松、更准确地计算所需的 MO。

所提出方法的一个主要优势是，可以从一组 PMM 测量中获得精确的分子轨道。此外，它在处理噪声数据方面也做得更好。这在一定程度上要归功于巧妙地使用了基于稀疏性的技术，该技术限制了分子轨道解决方案被视为最相关分子轨道的空间。理论分析和实验测试都证实了这种创新方法的有效性，展示了它的潜力。“这项研究是数学家、信息理论家和物理科学家之间的合作，具体来说，包括实验家和理论家，” Niki 教授解释说。她还补充说：“利用他们的专业知识，我们成功地进行了跨学科融合研究。这种合作方式使我们能够克服以前的挑战，并提供一种有望实现更广泛可及性和适用性的 POT 方法。”

利用这项技术，科学家将能够更轻松地可视化薄膜材料中分子的电子状态。反过来，这将有助于更好地理解任何相关物理特性的起源，从而带来新的智能材料设计和应用科学的进一步创新。“我们开发的方法代表了可视化以前难以观察的材料电子状态的突破，” Niki 教授评论道。

Niki 教授及其团队意识到基于 PhaesLift 的 POT 具有巨大的潜力，希望成为这一新兴研究领域的先驱。“为了迎接 PMM 的全球传播，我希望我们能够领先于世界其他地区建立一个专门从事 PMM 分析的中心，”她说道，“这个核心研究所有望成为创新中心，推动众多新材料的开发，为日本经济在未来半个世纪的发展提供支持。”