大连化物所:发现化学反应中新的量子干涉效应

今天凌晨,大连化物所肖春雷研究员、孙志刚研究员、张东辉院士和杨学明院士团队在最简单化学反应氢原子加氢分子的同位素(H+HD  H2+D)反应中,发现了化学反应中新的量子干涉效应,有助于更深入地理解化学反应过程,丰富对化学反应的认识。

大连化物所:发现化学反应中新的量子干涉效应

在化学反应中,量子干涉现象是普遍存在的。但是,想要准确理解这些干涉产生的根源非常困难,因为这些干涉的图样复杂,而且在实验上也难以精确分辨这些干涉图样的特征。

H+H2及其同位素的反应,是所有化学反应中最简单的。该体系只涉及三个电子,因此比较容易精确计算出这三个原子在不同构型时的相互作用力。在此基础上,通过求解相应的描述化学反应过程的薛定谔方程,就能够实现分子反应动力学过程的计算机模拟,从而做到在微观层次上深入理解化学反应过程。研究团队在2019年先期理论研究工作中发现,在特定散射角度上,H+HD反应生成的产物H2的多少会随碰撞能而呈现特别有规律的振荡。

针对这个有规律的振荡现象,该团队开展了理论结合实验的详细研究。实验上,通过改进了的交叉分子束装置,实现了在较高碰撞能处对后向散射(散射角度为180度)信号的精确测量。理论上,进一步发展了量子反应散射理论,创造性地发展了利用拓扑学原理来分析化学反应发生途径的方法。

拓扑学分析表明,这些后向散射的振荡实际上是由两条反应途径的干涉造成的。这两条反应途径对于后向散射均有显著贡献,但它们各自的幅度随着碰撞能变化并无显著变化,呈现缓慢的变化趋势。它们的相位随着碰撞能变化,一个呈线性增加,另外一个呈线性减小,因此,相互干涉的结果就呈现了强烈的有规律的振荡现象。

大连化物所:发现化学反应中新的量子干涉效应

进一步采用经典轨线理论分析表明,其中一条反应途径对应于通常所熟知的直接反应过程,如下图G至I所示。而另外一条反应途径对应于一条类似于roaming机理的反应过程,如图A至F所示。由于这两条反应途径,刚好以相反的方向围绕于H+HD反应势能面上的锥形交叉,所以它们的干涉图样必须采用非绝热耦合的势能面来模拟计算才可以,这也体现了这个体系反应过程中的几何相位效应。尤其有趣的是,在所研究的碰撞能范围,通过漫游机理而发生的反应只占全部反应性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反应性,能够清晰地被理论和实验所揭示出来。

大连化物所:发现化学反应中新的量子干涉效应

该项研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而发生化学反应的过程的量子性,另一方面,也揭示了化学反应的途径是复杂的。尽管如此简单的体系也仍然存在科学家们认识不到的事实。

相关文章于北京时间5月15日发表在《科学》(Science)上。该研究得到了国家自然科学基金项目等的支持。(文/图 孙志刚、陈思)

5.8 杨学明院士/杨天罡博士《Science》:趋近绝对零度的量子共振的评述文章

5月8日,大连化物所分子反应动力学国家重点实验室杨学明院士和南方科技大学杨天罡博士应邀在《科学》(Science)发表评述文章,讨论趋近绝对零度的原子与分子碰撞过程中量子散射共振研究的进展。

众所周知,原子与分子的碰撞传能以及化学反应过程是受量子力学的规则控制的。理解量子效应在原子与分子碰撞中的作用是理解能量传递以及化学反应过程的根本。而量子效应在低温下能够更好的保存,因此低温条件下对碰撞结果的影响会更加显著。量子散射共振给实验提供了一种观测碰撞过程中量子效应该文章详细介绍了同期发表的荷兰科学家关于极低温量子散射共振的研究工作(Science, 6494, 626-630, 2020)。通过利用斯塔克减速技术产生的NO(j=1/2f)束源和冷He束源结合高分辨的速度成像技术,实现了碰撞能0.3至12.3 K下NO+He体系的高分辨非弹性散射动力学研究,并观测到了多个共振现象。此外,该实验结果只能用CCSDT(Q)下发展的最新的精确势能面上的计算来描述,也表明了在此非弹性散射系统中,实验观测到的量子散射共振图像可以精确地测试量子计算结果,帮助理解量子效应在原子分子碰撞能量传递中的作用。

大连化物所:发现化学反应中新的量子干涉效应

该文章还介绍了我所关于研究接近绝对零度下量子散射共振在化学反应中发挥重要作用的例子。F+H2 HF+H反应是星际化学中产生HF分子的重要过程。但是F+H2反应具有1.8 kcal/mol高度的势垒(629 cm-1),经典模型下在接近绝对零度时这个反应几率是完全可以忽略的。杨学明团队通过对现有H原子里德堡态标示时间飞渡谱的交叉分子束装置进行了显著改进,观测到了反应温度低至14 K(9.8 cm-1)时此反应仍然发生的证据,同时观测到了约40 cm-1碰撞能的一个反应共振峰。进一步理论分析表明,F+H2在低温时的反应性,是通过反应共振态所增强的隧穿效应而产生的,而不是通常简单的隧穿效应,这也是在接近绝对零度下此反应仍然可以发生的原因。如果将共振态所导致的共振增强效应移除,F+H2(v=0,j=0)在10 K温度以下的反应速率常数,会降低三个数量级以上(Nat. Chem.,11,744-749,2019)。

该文章最后指出趋近绝对零度量子共振的研究进展得益于新的分子束方法以及新的探测技术的发展,精确的理论和实验之间的互动推动这一领域的发展。量子散射共振研究有助于科研人员更加深刻理解气相碰撞中的传能以及反应过程,对于理解复杂体系如星际化学、大气以及燃烧等过程也具有重要意义。

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