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科研進展

2021年11月19日
中國科大在《科學》上發表愛游戲體育app下載分子碰撞中量子干涉現象的評述論文

2021年11月19日,愛游戲體(ti)育登錄(lu)王興(xing)安教授(shou)和中國科(ke)學(xue)院(yuan)大連(lian)化學(xue)物(wu)理(li)研究所、南方(fang)科(ke)技大學(xue)楊學(xue)明(ming)院(yuan)士應邀在《科(ke)學(xue)》雜(za)志(Science)發表題為“分子雙(shuang)狹(xia)縫實驗”(A molecular double-slit experiment)的評述(shu)文章(Perspective),深入探討并展望了分子碰撞(zhuang)中的立體(ti)動力學(xue)與(yu)量子干涉現象研究。

1801年,英國(guo)物(wu)理(li)學(xue)(xue)家Thomas Young以著(zhu)名的(de)(de)楊氏雙(shuang)狹(xia)縫實(shi)(shi)(shi)驗證實(shi)(shi)(shi)了(le)光具有(you)波動特性(xing),這一雙(shuang)狹(xia)縫實(shi)(shi)(shi)驗毫(hao)無疑問是(shi)科(ke)學(xue)(xue)上(shang)一個重要(yao)的(de)(de)里程碑(bei)。隨著(zhu)現(xian)代科(ke)學(xue)(xue)的(de)(de)不斷發展,1927年,Davisson和Germer通過電子(zi)(zi)(zi)束在金屬鎳表面的(de)(de)散射行(xing)(xing)為(wei)觀測(ce)到(dao)了(le)電子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)波動性(xing)。這些實(shi)(shi)(shi)驗同20世紀初的(de)(de)一系列重要(yao)實(shi)(shi)(shi)驗共同支撐了(le)“波粒二象性(xing)”這一微(wei)觀描述, 推動了(le)現(xian)代量子(zi)(zi)(zi)力學(xue)(xue)的(de)(de)發展。量子(zi)(zi)(zi)力學(xue)(xue)特性(xing)支配著(zhu)作為(wei)微(wei)觀粒子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)和分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)行(xing)(xing)為(wei)。 比如量子(zi)(zi)(zi)干涉就顯(xian)著(zhu)地影響著(zhu)分(fen)子(zi)(zi)(zi)碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)所引發的(de)(de)能(neng)量傳遞和化(hua)學(xue)(xue)反應(ying)等(deng)行(xing)(xing)為(wei)的(de)(de)微(wei)觀動力學(xue)(xue)。因此,對分(fen)子(zi)(zi)(zi)碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)中(zhong)量子(zi)(zi)(zi)效(xiao)應(ying)的(de)(de)精(jing)確測(ce)量和描述是(shi)理(li)解原子(zi)(zi)(zi)分(fen)子(zi)(zi)(zi)量子(zi)(zi)(zi)動力學(xue)(xue)的(de)(de)關(guan)鍵。

隨著激光、分子束等實驗技術的快速發展,科學家們已經可以對碰撞分子的量子態和空間取向進行精細調控,這也使深入研究分子碰撞中的量子立體動力學成為可能。評述文章詳細介紹了同期《科學》雜志發表的愛游戲體育app下載分子非彈性碰撞傳能過程的立體動力學及量子干涉現象的研究(見圖1)。通過利用斯塔克誘導的激光絕熱拉曼通道激發方法,美國科學家成功實現了對D2分子的高效振動態激發,并選擇性地精準制備了兩種具有不同特性的量子態:1) 一個在空間具有確定取向的振動激發態,其分子鍵軸取向和參考軸具有+45或者-45度的夾角,稱為單軸態; 2)另一個振動激發態來自兩個單軸態的相干疊加,即其分子鍵軸取向和參考軸同時具有+45及-45度的夾角的可能性,稱為雙軸態。通過對兩種不同量子態的D2分子與He原子非彈性散射產物角分布的測量,研究人員發現處于雙軸態的分子在散射中會表現出與單軸態明顯不同的實驗結果,這一差異來源于雙軸態中不同鍵軸取向之間的量子干涉。這是在分子碰撞體系中首次通過激光制備出類似于楊氏實驗的“雙狹縫”(double-slit),進而影響雙分子碰撞的微觀動力學過程。同時也為挑戰在化學反應碰撞中開展可控的量子干涉實驗研究提供了重要參考。

圖1. 振動激發態的D2分子與He原子的非彈性碰撞:A) 單軸(uniaxial)態的D2分子的激光制備及其與He原子的碰撞;B) 雙軸(biaxial)態的D2分子的激光制備及其與He原子的碰撞。兩者表現出明顯不同的產物角分布,體現了分子碰撞過程中的量子干涉對碰撞動力學的顯著影響。(來源:V. ALTOUNIAN /SCIENCE)

文章還重點介紹了一個開展量子干涉以及立體動力學研究的理想化學反應體系:H+HD→H2+D 反應及其同位素反應體系。該反應一直是化學動力學領域的重要基準體系,也是實驗與理論互動的成功范例。H+HD這一系列反應的電子基態和電子激發態的勢能面間具有非常著名的錐形交叉。這一錐形交叉的存在使得氫交換反應體系天然地具備兩個不可區分的反應路徑:其中一個對應著直接反應路徑,另一個則對應著類似于roaming的非直接反應路徑。這兩個路徑的量子干涉會顯著影響氫交換體系的反應動力學。此前,楊學明院士和王興安教授以及合作者也是通過對兩個路徑量子干涉行為的精密實驗測量首次成功地觀測到了化學反應中的幾何相位效應。

激光(guang)(guang)制(zhi)備特定量(liang)(liang)子(zi)態(tai)和取(qu)向分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)技術已經(jing)體現了其顯著的(de)(de)(de)優勢以及可擴(kuo)展性,在未(wei)來(lai)(lai)的(de)(de)(de)實驗(yan)中,結合(he)先進的(de)(de)(de)激光(guang)(guang)量(liang)(liang)子(zi)態(tai)制(zhi)備和分(fen)子(zi)空(kong)間取(qu)向技術,科學(xue)(xue)(xue)家(jia)們將(jiang)能夠通過交叉分(fen)子(zi)束實驗(yan)對氫交換等反應開展進一(yi)步的(de)(de)(de)精密動(dong)力(li)學(xue)(xue)(xue)測(ce)量(liang)(liang), 借助激光(guang)(guang)選(xuan)態(tai)的(de)(de)(de)“雙狹縫實驗(yan)”深(shen)入(ru)理解基元(yuan)反應的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)干涉行(xing)為和立(li)體動(dong)力(li)學(xue)(xue)(xue),并有望在未(wei)來(lai)(lai)實現對基元(yuan)化學(xue)(xue)(xue)反應的(de)(de)(de)立(li)體量(liang)(liang)子(zi)動(dong)力(li)學(xue)(xue)(xue)控(kong)制(zhi)。

原文(wen)鏈接:http://dx.doi.org/10.1126/science.abm5536


(合肥(fei)微(wei)尺度物(wu)質科學國家研究中心(xin)、化學物(wu)理系、科研部)