大连化物所发现较低能量下化学反应中的量子几何相位效应

撰稿: 大连化学物理研究所 发布时间:2020-07-21

  近日,大连化物所孙志刚研究员、杨学明院士和中国科技大学王兴安教授合作,在H+HDH2+D反应中的几何相位效应研究取得新进展。

  几何相位效应是一种量子力学现象,是系统的哈密顿绝热沿着闭合的参数回路周期性变化时,在波函数上引入的附加相位。几十年来,该现象在凝聚态物理研究领域被广泛关注,其与量子霍尔效应以及拓扑绝缘体的研究,都有密切关系。

  在分子体系中,几何相位效应在势能面间的锥形交叉区域附近产生。在过去的研究中,研究人员对几何相位效应对于分子光谱的影响已有了比较充分的认识。但是在反应动力学领域,由于化学反应的复杂性,长期以来,研究人员对几何相位效应对于化学反应的影响并没有确切的认识。

  

  得益于交叉分子束实验技术和理论计算方法的发展,大连化物所分子反应动力学研究团队和王兴安团队合作,在2018年首次观测到了能量为2.77电子伏时H+HDH2+D反应中的几何相位效应,相关文章发表在2018年的Science上。该研究中,其反应能量高于锥形交叉点(锥形交叉产生于2.5电子伏能量左右),因而几何相位效应相对比较明显,在实验和理论上易于研究。

  此次研究工作则侧重于反应能量低于锥形交叉点的几何相位效应的研究。能量越低,几何相位效应越微弱,因而研究难度也更大。该团队通过进一步发展离子成像交叉分子束技术和基于超球坐标的反应动力学理论,在2.28电子伏反应能量的地方,成功观测到了H+HDH2+D反应中的几何相位效应。研究发现,和之前2.77电子伏反应能量处的几何相位效应不同,在较低能量处,几何相位效应不仅仅体现在前向散射振荡上,而且也较多地体现在后向散射振荡上。该团队采用经典轨线理论分析,揭示了几何相位效应来自于直接反应途径和漫游反应途径的干涉效应。该研究证实了在采用波恩奥本海默近似之后,化学反应中的几何相位效应是真实存在的。几何相位效应对于化学反应的影响,是以影响微分截面的角分布样式而体现的。

  论文审稿人对于该研究给予了较高评价。其中一位审稿人评述到:I regard this study as an outstanding advance in this classic (but not classical!) reaction system. It is the stuff that should go into future textbooks. As someone who tried but failed to observe the same phenomenon, I am in awe of what has been accomplished. 另一位审稿人类似的评述到:This experiment has been the dream of at least one generation of physical chemists and these results are simply beautiful… I believe this work will be included in physical chemistry textbooks, since it demonstrates a fundamental quantum feature on chemical reaction dynamics.

  相关工作发表在《自然-通讯》(Nat. Comm.)上。该研究工作得到了国家自然科学基金委杰出青年基金和中科院战略性先导科技专项B类“能源化学转化的本质与调控”的资助。