5月8日，大連化物所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊學(xué)明院士和南方科技大學(xué)楊天罡博士應(yīng)邀在《科學(xué)》（Science）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程中量子散射共振研究的進(jìn)展。
眾所周知，原子與分子的碰撞傳能以及化學(xué)反應(yīng)過程是受量子力學(xué)的規(guī)則控制的。理解量子效應(yīng)在原子與分子碰撞中的作用是理解能量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)過程的根本。而量子效應(yīng)在低溫下能夠更好的保存，因此低溫條件下對(duì)碰撞結(jié)果的影響會(huì)更加顯著。量子散射共振給實(shí)驗(yàn)提供了一種觀測碰撞過程中量子效應(yīng)的方法，但由于其“壽命”很短，實(shí)驗(yàn)觀測的挑戰(zhàn)很大。
該文章詳細(xì)介紹了同期發(fā)表的荷蘭科學(xué)家關(guān)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(shù)產(chǎn)生的NO(j=1/2f)束源和冷He束源結(jié)合高分辨的速度成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(dòng)力學(xué)研究，并觀測到了多個(gè)共振現(xiàn)象。此外，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能用CCSDT(Q)下發(fā)展的最新的精確勢能面上的計(jì)算來描述，也表明了在此非彈性散射系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)觀測到的量子散射共振圖像可以精確地測試量子計(jì)算結(jié)果，幫助理解量子效應(yīng)在原子分子碰撞能量傳遞中的作用。
F+H2
HF+H反應(yīng)過程中的超冷反應(yīng)共振圖像
該文章還介紹了大連化物所關(guān)于研究接近絕對(duì)零度下量子散射共振在化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用的例子。F+H2HF+H反應(yīng)是星際化學(xué)中產(chǎn)生HF分子的重要過程。但是F+H2反應(yīng)具有1.8 kcal/mol高度的勢壘（629 cm-1），經(jīng)典模型下在接近絕對(duì)零度時(shí)這個(gè)反應(yīng)幾率是完全可以忽略的。楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)通過對(duì)現(xiàn)有H原子里德堡態(tài)標(biāo)示時(shí)間飛渡譜的交叉分子束裝置進(jìn)行了顯著改進(jìn)，觀測到了反應(yīng)溫度低至14 K（9.8 cm-1）時(shí)此反應(yīng)仍然發(fā)生的證據(jù)，同時(shí)觀測到了約40 cm-1碰撞能的一個(gè)反應(yīng)共振峰。進(jìn)一步理論分析表明，F(xiàn)+H2在低溫時(shí)的反應(yīng)性，是通過反應(yīng)共振態(tài)所增強(qiáng)的隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生的，而不是通常簡單的隧穿效應(yīng)，這也是在接近絕對(duì)零度下此反應(yīng)仍然可以發(fā)生的原因。如果將共振態(tài)所導(dǎo)致的共振增強(qiáng)效應(yīng)移除，F(xiàn)+H2（v=0，j=0）在10 K溫度以下的反應(yīng)速率常數(shù)，會(huì)降低三個(gè)數(shù)量級(jí)以上（Nat. Chem.，11，744-749，2019）。
該文章最后指出趨近絕對(duì)零度量子共振的研究進(jìn)展得益于新的分子束方法以及新的探測技術(shù)的發(fā)展，精確的理論和實(shí)驗(yàn)之間的互動(dòng)推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)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(yīng)過程，對(duì)于理解復(fù)雜體系如星際化學(xué)、大氣以及燃燒等過程也具有重要意義。（文/圖 楊天罡）
