作者:崔雪芹 刘万生 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/10 18:50:33
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中国科学家评述趋近绝对零度的量子共振

 

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。5月8日,中国科学院院士中科院大连化学物理研究所杨学明与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。

“拍照”

“因为原子分子体系本来就是一个量子体系,当原子分子体系做碰撞,包括大气或星际里面有各种各样的气相碰撞过程,尤其到了很低温的时候,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,杨学明及世界上许多科学家都一直想要做这种极低温时碰撞体系量子现象的研究。

原子与分子的碰撞传能以及化学反应过程是受量子力学的规则控制的。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,是利用物理的原理和方法研究化学反应过程,或者碰撞传能过程。通过研究这些过程中奇特的物理效应去理解化学反应过程。

“由于化学反应它速度是很快的,我们希望通过物理的方法,可以把反应的过程都给拍下来,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,相机很难有这么快的速度把化学反应过程拍下来的。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几率以及动力学随反应能量的变化,从而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,但是在很低温时,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

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,在国际上引领了这样方向的发展,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非常有趣的量子散射共振现象,并对这一现象开展了高水平的理论研究。

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。杨学明的研究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。

展望

杨学明表示,自己及团队在这个领域里面开展了很多类似研究,评述中介绍的氟加氢气反应的研究是他们研究组去年发表在《自然—化学》杂志上的一项研究工作。该领域理论计算方法的发展也十分重要,随着计算能力提高,可实现对更复杂体系的精确模拟,比如药物分子设计。另外,量子计算机的一个潜在重要应用就是可模拟化学反应过程,杨学明团队的研究结果可为其做测试。

F+H2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然可以发生的机理。“文中提到的氟加氢反应的例子有一个很高的反应势垒,在很低温的时候应该不会发生化学反应。但是因为这一体系在势垒后有一个很低能量的量子共振态的存在,由此诱导了量子隧穿效应,使得在趋近绝对零度下还有化学反应发生。这是一种化学反应中非常奇特的现象,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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