我所發現化學反應中新的量子干涉效應

  近日,我所肖春雷研究員、孫志剛研究員、張東輝院士和楊學明院士團隊在最簡單化學反應氫原子加氫分子的同位素(H+HDH2+D)反應中,發現了化學反應中新的量子干涉效應,有助于更深入地理解化學反應過程,豐富對化學反應的認識。

  在化學反應中,量子干涉現象是普遍存在的。但是,想要準確理解這些干涉產生的根源非常困難,因為這些干涉的圖樣復雜,而且在實驗上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。

  H+H2及其同位素的反應,是所有化學反應中最簡單的。該體系只涉及三個電子,因此比較容易精確計算出這三個原子在不同構型時的相互作用力。在此基礎上,通過求解相應的描述化學反應過程的薛定諤方程,就能夠實現分子反應動力學過程的計算機模擬,從而做到在微觀層次上深入理解化學反應過程。研究團隊在2019年先期理論研究工作中發現,在特定散射角度上,H+HD反應生成的產物H2的多少會隨碰撞能而呈現特別有規律的振蕩。

  針對這個有規律的振蕩現象,該團隊開展了理論結合實驗的詳細研究。實驗上,通過改進了的交叉分子束裝置,實現了在較高碰撞能處對后向散射(散射角度為180度)信號的精確測量。理論上,進一步發展了量子反應散射理論,創造性地發展了利用拓撲學原理來分析化學反應發生途徑的方法。

  拓撲學分析表明,這些后向散射的振蕩實際上是由兩條反應途徑的干涉造成的。這兩條反應途徑對于后向散射均有顯著貢獻,但它們各自的幅度隨著碰撞能變化并無顯著變化,呈現緩慢的變化趨勢。它們的相位隨著碰撞能變化,一個呈線性增加,另外一個呈線性減小,因此,相互干涉的結果就呈現了強烈的有規律的振蕩現象。

  

  進一步采用經典軌線理論分析表明,其中一條反應途徑對應于通常所熟知的直接反應過程,如下圖G至I所示。而另外一條反應途徑對應于一條類似于roaming機理的反應過程,如圖A至F所示。由于這兩條反應途徑,剛好以相反的方向圍繞于H+HD反應勢能面上的錐形交叉,所以它們的干涉圖樣必須采用非絕熱耦合的勢能面來模擬計算才可以,這也體現了這個體系反應過程中的幾何相位效應。尤其有趣的是,在所研究的碰撞能范圍,通過漫游機理而發生的反應只占全部反應性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反應性,能夠清晰地被理論和實驗所揭示出來。

  

  該項研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而發生化學反應的過程的量子性,另一方面,也揭示了化學反應的途徑是復雜的。盡管如此簡單的體系也仍然存在科學家們認識不到的事實。

  相關文章于北京時間5月15日發表在《科學》(Science)上。該研究得到了國家自然科學基金項目、中國科學院戰略性先導科技專項B類“能源化學轉化的本質與調控”等的支持。(文/圖 孫志剛、陳思)

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