來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》
發(fā)布時(shí)間：2020-05-12
■本報(bào)記者 崔雪芹 劉萬(wàn)生
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(dòng)力學(xué)。中國(guó)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(duì)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(píng)述文章，討論趨近絕對(duì)零度的原子與分子碰撞過(guò)程中量子散射共振研究的進(jìn)展。
給化學(xué)反應(yīng)過(guò)程“拍照”
“原子分子體系是一個(gè)量子體系，當(dāng)原子分子體系碰撞時(shí)，大氣或星際中有各種各樣的氣相碰撞過(guò)程，尤其到了極低溫時(shí)，它的量子現(xiàn)象就會(huì)越來(lái)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。”楊學(xué)明告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
基于此，極低溫時(shí)碰撞體系量子現(xiàn)象的研究一直是分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
原子與分子的碰撞傳能以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程受量子力學(xué)的規(guī)則控制。量子效應(yīng)在低溫下會(huì)更加明顯，對(duì)原子與分子碰撞動(dòng)力學(xué)的影響更加顯著。但由于碰撞過(guò)程時(shí)間很短，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)碰撞過(guò)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(dòng)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(guò)程或碰撞傳能過(guò)程。
“由于化學(xué)反應(yīng)速度很快，我們希望通過(guò)物理方法，把反應(yīng)過(guò)程拍下來(lái)，相當(dāng)于給化學(xué)反應(yīng)過(guò)程‘拍照’。”楊天罡說(shuō)。但是化學(xué)反應(yīng)最重要的過(guò)渡態(tài)是飛秒時(shí)間量級(jí)，相機(jī)很難以這么快的速度把化學(xué)反應(yīng)過(guò)程拍下來(lái)。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(lái)研究這些體系的反應(yīng)概率，通過(guò)動(dòng)力學(xué)隨反應(yīng)能量的變化來(lái)觀測(cè)碰撞散射共振現(xiàn)象。
為什么要做接近于絕對(duì)零度的實(shí)驗(yàn)研究？因?yàn)樵诟邷叵略优c分子碰撞體系中量子效應(yīng)會(huì)被平均掉，但在極低溫時(shí)，量子效應(yīng)更容易保存下來(lái)，也能更容易在實(shí)驗(yàn)上被探測(cè)到。低溫下研究碰撞過(guò)程可以使我們更加深入地理解原子分子碰撞過(guò)程的量子本質(zhì)以及相關(guān)的氣相化學(xué)體系，如大氣過(guò)程、星際化學(xué)等。
緣起與展望
楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)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(guó)際上引領(lǐng)了這一方向的發(fā)展，對(duì)這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)也有比較全面的了解。
這是楊學(xué)明和楊天罡受邀評(píng)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(xiàng)工作研究了一氧化氮加氦碰撞過(guò)程中的傳能動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)了這一體系中在趨近絕對(duì)零度時(shí)的量子散射共振現(xiàn)象，并對(duì)這一現(xiàn)象開(kāi)展了理論研究。
楊學(xué)明表示，這對(duì)深刻理解原子分子碰撞傳能過(guò)程中量子現(xiàn)象的研究具有重要意義。實(shí)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(duì)對(duì)很多不同基元反應(yīng)體系中的共振現(xiàn)象開(kāi)展過(guò)深入系統(tǒng)的研究工作。
據(jù)楊學(xué)明介紹，評(píng)述中介紹的氟加氫氣反應(yīng)的研究是團(tuán)隊(duì)去年發(fā)表于《自然化學(xué)》雜志的一項(xiàng)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(gè)經(jīng)典模型無(wú)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(shì)壘，在極低溫時(shí)應(yīng)該不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是因?yàn)檫@一體系在勢(shì)壘后存在一個(gè)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(duì)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(duì)于理解低溫下的化學(xué)過(guò)程有非常重要的意義?！?楊學(xué)明說(shuō)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb8020
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