近日，大連化物所孫志剛研究員、楊學(xué)明院士和中國科技大學(xué)王興安教授合作，在H+HD
H2+D反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)研究取得新進展。
幾何相位效應(yīng)是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，是系統(tǒng)的哈密頓絕熱沿著閉合的參數(shù)回路周期性變化時，在波函數(shù)上引入的附加相位。幾十年來，該現(xiàn)象在凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域被廣泛關(guān)注，其與量子霍爾效應(yīng)以及拓撲絕緣體的研究，都有密切關(guān)系。
在分子體系中，幾何相位效應(yīng)在勢能面間的錐形交叉區(qū)域附近產(chǎn)生。在過去的研究中，研究人員對幾何相位效應(yīng)對于分子光譜的影響已有了比較充分的認識。但是在反應(yīng)動力學(xué)領(lǐng)域，由于化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性，長期以來，研究人員對幾何相位效應(yīng)對于化學(xué)反應(yīng)的影響并沒有確切的認識。
得益于交叉分子束實驗技術(shù)和理論計算方法的發(fā)展，大連化物所分子反應(yīng)動力學(xué)研究團隊和王興安團隊合作，在2018年首次觀測到了能量為2.77電子伏時H+HD
H2+D反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)，相關(guān)文章發(fā)表在2018年的Science上。該研究中，其反應(yīng)能量高于錐形交叉點（錐形交叉產(chǎn)生于2.5電子伏能量左右），因而幾何相位效應(yīng)相對比較明顯，在實驗和理論上易于研究。
此次研究工作則側(cè)重于反應(yīng)能量低于錐形交叉點的幾何相位效應(yīng)的研究。能量越低，幾何相位效應(yīng)越微弱，因而研究難度也更大。該團隊通過進一步發(fā)展離子成像交叉分子束技術(shù)和基于超球坐標的反應(yīng)動力學(xué)理論，在2.28電子伏反應(yīng)能量的地方，成功觀測到了H+HD
H2+D反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，和之前2.77電子伏反應(yīng)能量處的幾何相位效應(yīng)不同，在較低能量處，幾何相位效應(yīng)不僅僅體現(xiàn)在前向散射振蕩上，而且也較多地體現(xiàn)在后向散射振蕩上。該團隊采用經(jīng)典軌線理論分析，揭示了幾何相位效應(yīng)來自于直接反應(yīng)途徑和漫游反應(yīng)途徑的干涉效應(yīng)。該研究證實了在采用波恩奧本海默近似之后，化學(xué)反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)是真實存在的。幾何相位效應(yīng)對于化學(xué)反應(yīng)的影響，是以影響微分截面的角分布樣式而體現(xiàn)的。
論文審稿人對于該研究給予了較高評價。其中一位審稿人評述到：I regard this study as an outstanding advance in this classic (but not classical!) reaction system. It is the stuff that should go into future textbooks. As someone who tried but failed to observe the same phenomenon, I am in awe of what has been accomplished. 另一位審稿人類似的評述到：This experiment has been the dream of at least one generation of physical chemists and these results are simply beautiful… I believe this work will be included in physical chemistry textbooks, since it demonstrates a fundamental quantum feature on chemical reaction dynamics.
相關(guān)工作發(fā)表在《自然-通訊》（Nat. Comm.）上。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B類“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”的資助。
