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我所發表關于趨近絕對零度的量子共振的評述文章
Data : 2020 - 05 - 20
5月8日,我所分子反應動力學國家重點實驗室楊學明院士和南方科技大學楊天罡博士應邀在《科學》(Science)發表評述文章,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展。

  眾所周知,原子與分子的碰撞傳能以及化學反應過程是受量子力學的規則控制的。理解量子效應在原子與分子碰撞中的作用是理解能量傳遞以及化學反應過程的根本。而量子效應在低溫下能夠更好的保存,因此低溫條件下對碰撞結果的影響會更加顯著。量子散射共振給實驗提供了一種觀測碰撞過程中量子效應的方法,但由于其“壽命”很短,實驗觀測的挑戰很大。

  該文章詳細介紹了同期發表的荷蘭科學家關于極低溫量子散射共振的研究工作(Science, 6494, 626-630, 2020)。通過利用斯塔克減速技術產生的NO(j=1/2f)束源和冷He束源結合高分辨的速度成像技術,實現了碰撞能0.3至12.3 K下NO+He體系的高分辨非彈性散射動力學研究,并觀測到了多個共振現象。此外,該實驗結果只能用CCSDT(Q)下發展的最新的精確勢能面上的計算來描述,也表明了在此非彈性散射系統中,實驗觀測到的量子散射共振圖像可以精確地測試量子計算結果,幫助理解量子效應在原子分子碰撞能量傳遞中的作用。
     該文章還介紹了我所關于研究接近絕對零度下量子散射共振在化學反應中發揮重要作用的例子。F+H2HF+H反應是星際化學中產生HF分子的重要過程。但是F+H2反應具有1.8 kcal/mol高度的勢壘(629 cm-1),經典模型下在接近絕對零度時這個反應幾率是完全可以忽略的。楊學明團隊通過對現有H原子里德堡態標示時間飛渡譜的交叉分子束裝置進行了顯著改進,觀測到了反應溫度低至14 K(9.8 cm-1)時此反應仍然發生的證據,同時觀測到了約40 cm-1碰撞能的一個反應共振峰。進一步理論分析表明,F+H2在低溫時的反應性,是通過反應共振態所增強的隧穿效應而產生的,而不是通常簡單的隧穿效應,這也是在接近絕對零度下此反應仍然可以發生的原因。如果將共振態所導致的共振增強效應移除,F+H2(v=0,j=0)在10 K溫度以下的反應速率常數,會降低三個數量級以上(Nat. Chem.,11,744-749,2019)。

  該文章最后指出趨近絕對零度量子共振的研究進展得益于新的分子束方法以及新的探測技術的發展,精確的理論和實驗之間的互動推動這一領域的發展。量子散射共振研究有助于科研人員更加深刻理解氣相碰撞中的傳能以及反應過程,對于理解復雜體系如星際化學、大氣以及燃燒等過程也具有重要意義。

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