大连化物所Science：发现化学反应中新的量子干涉效应

nuli

中国科学院大连化学物理研究所研究员肖春雷、孙志刚、中科院院士张东辉和杨学明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。
　　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。

笛卡尔坐标系下，H+HD→H2+D反应的示意图

　　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。
　　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。
　　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5月15日发表在《科学》（Science）杂志上。该研究得到国家自然科学基金项目等的支持。
      文章链接：https://science.sciencemag.org/content/368/6492/767
       文章来源：大连化物所
      肖春雷，博士，大连化物所研究员。专注于分子反应动力学的研究，主要用交叉分子束方法和先进的激光技术探索基元化学反应的微观机理。肖博士2007年本科毕业于中国科技大学化学物理系，2012年博士毕业于大连化物所。曾获得中科院院长特别奖、中科院优秀博士学位论文奖、卢嘉锡青年人才奖、辽宁省自然科学奖一等奖、中国化学会青年化学奖、国家自然科学二等奖等；入选中科院青年创新促进会会员并获得中科院首批“卓越青年科学家”项目资助。2018年获得国家自然科学基金委优青项目资助。
       孙志刚，中国科学院大连化学物理研究所研究员。1978年生，2000年于大连理工大学获学士学位，2005年于我所获博士学位，博士毕业后先后在新加坡国立大学、新加坡南洋理工大学和美国杜克大学从事博士后研究，于2010年6月回所工作，2011年获中国科学院“百人计划”择优支持。研究工作主要涉及利用和发展量子波包的相关算法来研究分子动力学领域中有重要意义的问题，如对三原子反应散射中的共振态、非统计效应以及同位素效应的研究，使用量子波包方法模拟分子的非线性光谱——包括飞秒拉曼光谱和二维红外光谱，发展更加有效的量子波包方法来研究超短激光脉冲作用下原子和小分子中的电子动力学，研究工作还涉及发展更加有效的演化算符来数值求解薛定谔方程。曾获得院优秀博士论文奖、院长优秀奖和中国百篇最具影响优秀国际学术论文奖。目前已在Science、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.等国际期刊上发表论文35篇。
       张东辉于1989年毕业于复旦大学物理学，1994年在纽约大学获得理学博士学位。 在纽约大学和芝加哥大学从事博士后研究后，于1997年加入新加坡国立大学担任助理教授，并于2000年晋升为副教授。2006年起入职于中国科学院大连化学物理研究所，并于2017年当选为中国科学院院士，现任该所分子反应动力学国家重点实验室主任。 他的主要研究领域是气相和表面化学反应的理论和计算研究。至今已发表200多篇论文，其中包括Science 9篇，PNAS 5篇。曾获新加坡青年科学家奖(2000年), 新加坡国家科学奖(2003年), 国家自然科学基金海外及港澳青年学者合作研究基金(2003年), 国家杰出青年科学基金(2006年)，辽宁省自然科学一等奖(2013年)，国家自然科学二等奖(2014年)。
        杨学明，男，1962年10月生，汉族，无党派民主人士。中国科学院大连化学物理研究所研究员，分子反应动力学国家重点实验室化学动力学研究中心主任。中国化学会化学动力学专业委员会任，国家同步辐射实验室用户专家委员会主任。2012年4月至2017年3月任中国科学院大连化学物理研究所副所长。2011年当选为中国科学院院士。1991年获美国加州大学圣巴巴拉分校博士学位。曾在美国普林斯顿大学，加州大学劳伦斯伯克利国家实验室，台湾中研院原子与分子科学研究所做博士后、访问和工作。