量子散射共振的研究是物理與化學(xué)學(xué)科的前沿交叉方向，從化學(xué)學(xué)科出發(fā)被稱為分子反應(yīng)動力學(xué)。中國科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所楊學(xué)明研究團(tuán)隊一直在該領(lǐng)域深耕并有重要貢獻(xiàn)，曾在《科學(xué)》《自然》等刊物發(fā)表論文300余篇。

　　5月8日，楊學(xué)明和南方科技大學(xué)楊天罡應(yīng)邀在《科學(xué)》發(fā)表評述文章，討論趨近絕對零度的原子與分子碰撞過程中量子散射共振研究的進(jìn)展。

　　給化學(xué)反應(yīng)過程“拍照”

　　“原子分子體系是一個量子體系，當(dāng)原子分子體系碰撞時，大氣或星際中有各種各樣的氣相碰撞過程，尤其到了極低溫時，它的量子現(xiàn)象就會越來越明顯，因此在低溫下研究碰撞是了解原子分子碰撞體系量子本質(zhì)的重要方法?！睏顚W(xué)明告訴《中國科學(xué)報》。

　　基于此，極低溫時碰撞體系量子現(xiàn)象的研究一直是分子反應(yīng)動力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。

　　原子與分子的碰撞傳能以及化學(xué)反應(yīng)過程受量子力學(xué)的規(guī)則控制。量子效應(yīng)在低溫下會更加明顯，對原子與分子碰撞動力學(xué)的影響更加顯著。但由于碰撞過程時間很短，實驗觀測碰撞過程中量子共振的挑戰(zhàn)非常大。

　　量子散射共振的研究是分子反應(yīng)動力學(xué)的前沿方向，它利用物理原理和方法研究化學(xué)反應(yīng)過程或碰撞傳能過程。

　　“由于化學(xué)反應(yīng)速度很快，我們希望通過物理方法，把反應(yīng)過程拍下來，相當(dāng)于給化學(xué)反應(yīng)過程‘拍照’?！睏钐祛刚f。但是化學(xué)反應(yīng)最重要的過渡態(tài)是飛秒時間量級，相機(jī)很難以這么快的速度把化學(xué)反應(yīng)過程拍下來。目前，該領(lǐng)域科學(xué)家通常利用高精度分子束散射的方法來研究這些體系的反應(yīng)概率，通過動力學(xué)隨反應(yīng)能量的變化來觀測碰撞散射共振現(xiàn)象。

　　為什么要做接近于絕對零度的實驗研究？因為在高溫下原子與分子碰撞體系中量子效應(yīng)會被平均掉，但在極低溫時，量子效應(yīng)更容易保存下來，也能更容易在實驗上被探測到。低溫下研究碰撞過程可以使我們更加深入地理解原子分子碰撞過程的量子本質(zhì)以及相關(guān)的氣相化學(xué)體系，如大氣過程、星際化學(xué)等。

　　緣起與展望

　　楊學(xué)明團(tuán)隊在過去很長一段時間內(nèi)一直在從事基元化學(xué)反應(yīng)體系中共振現(xiàn)象的研究，并取得一系列的重要研究成果，在國際上引領(lǐng)了這一方向的發(fā)展，對這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢也有比較全面的了解。

　　這是楊學(xué)明和楊天罡受邀評述荷蘭科學(xué)家在極低溫下碰撞傳能中量子共振現(xiàn)象成果的緣由。這項工作研究了一氧化氮加氦碰撞過程中的傳能動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)了這一體系中在趨近絕對零度時的量子散射共振現(xiàn)象，并對這一現(xiàn)象開展了理論研究。

　　楊學(xué)明表示，這對深刻理解原子分子碰撞傳能過程中量子現(xiàn)象的研究具有重要意義。實際上共振現(xiàn)象在很多化學(xué)反應(yīng)里面也存在。楊學(xué)明團(tuán)隊對很多不同基元反應(yīng)體系中的共振現(xiàn)象開展過深入系統(tǒng)的研究工作。

　　據(jù)楊學(xué)明介紹，評述中介紹的氟加氫氣反應(yīng)的研究是團(tuán)隊去年發(fā)表于《自然化學(xué)》雜志的一項研究工作。氟加氫氣反應(yīng)在星際化學(xué)中有重要意義，這一工作給出了一個經(jīng)典模型無法解釋的低溫下反應(yīng)仍可發(fā)生的機(jī)理?！拔闹刑岬降姆託浞磻?yīng)有很高的反應(yīng)勢壘，在極低溫時應(yīng)該不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是因為這一體系在勢壘后存在一個能量很低的量子共振態(tài)，由此誘導(dǎo)了量子隧穿效應(yīng)，使得這一反應(yīng)在趨近絕對零度下還有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。這是化學(xué)反應(yīng)中一種非常奇特的現(xiàn)象，對于理解低溫下的化學(xué)過程有非常重要的意義?！?楊學(xué)明說。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb8020

　?。ㄔd于《中國科學(xué)報》2020-05-12 第01版）