【中国科学报头版】中国科学家《科学》发文:评述趋近绝对零度量子共振

  来源:《中国科学报》

  发布时间:2020-05-12

  ■本报记者 崔雪芹 刘万生

  量子散射共振的研究是物理与化学学科的前沿交叉方向,从化学学科出发被称为分子反应动力学。中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所杨学明研究团队一直在该领域深耕并有重要贡献,曾在《科学》《自然》等刊物发表论文300余篇。

  5月8日,杨学明和南方科技大学杨天罡应邀在《科学》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。

  给化学反应过程“拍照”

  “原子分子体系是一个量子体系,当原子分子体系碰撞时,大气或星际中有各种各样的气相碰撞过程,尤其到了极低温时,它的量子现象就会越来越明显,因此在低温下研究碰撞是了解原子分子碰撞体系量子本质的重要方法。”杨学明告诉《中国科学报》。

  基于此,极低温时碰撞体系量子现象的研究一直是分子反应动力学领域的研究热点。

  原子与分子的碰撞传能以及化学反应过程受量子力学的规则控制。量子效应在低温下会更加明显,对原子与分子碰撞动力学的影响更加显著。但由于碰撞过程时间很短,实验观测碰撞过程中量子共振的挑战非常大。

  量子散射共振的研究是分子反应动力学的前沿方向,它利用物理原理和方法研究化学反应过程或碰撞传能过程。

  “由于化学反应速度很快,我们希望通过物理方法,把反应过程拍下来,相当于给化学反应过程‘拍照’。”杨天罡说。但是化学反应最重要的过渡态是飞秒时间量级,相机很难以这么快的速度把化学反应过程拍下来。目前,该领域科学家通常利用高精度分子束散射的方法来研究这些体系的反应概率,通过动力学随反应能量的变化来观测碰撞散射共振现象。

  为什么要做接近于绝对零度的实验研究?因为在高温下原子与分子碰撞体系中量子效应会被平均掉,但在极低温时,量子效应更容易保存下来,也能更容易在实验上被探测到。低温下研究碰撞过程可以使我们更加深入地理解原子分子碰撞过程的量子本质以及相关的气相化学体系,如大气过程、星际化学等。

  缘起与展望

  杨学明团队在过去很长一段时间内一直在从事基元化学反应体系中共振现象的研究,并取得一系列的重要研究成果,在国际上引领了这一方向的发展,对这一领域的发展趋势也有比较全面的了解。

  这是杨学明和杨天罡受邀评述荷兰科学家在极低温下碰撞传能中量子共振现象成果的缘由。这项工作研究了一氧化氮加氦碰撞过程中的传能动力学,发现了这一体系中在趋近绝对零度时的量子散射共振现象,并对这一现象开展了理论研究。

  杨学明表示,这对深刻理解原子分子碰撞传能过程中量子现象的研究具有重要意义。实际上共振现象在很多化学反应里面也存在。杨学明团队对很多不同基元反应体系中的共振现象开展过深入系统的研究工作。

  据杨学明介绍,评述中介绍的氟加氢气反应的研究是团队去年发表于《自然化学》杂志的一项研究工作。氟加氢气反应在星际化学中有重要意义,这一工作给出了一个经典模型无法解释的低温下反应仍可发生的机理。“文中提到的氟加氢反应有很高的反应势垒,在极低温时应该不会发生化学反应。但是因为这一体系在势垒后存在一个能量很低的量子共振态,由此诱导了量子隧穿效应,使得这一反应在趋近绝对零度下还有化学反应发生。这是化学反应中一种非常奇特的现象,对于理解低温下的化学过程有非常重要的意义。” 杨学明说。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abb8020

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