近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點實驗室院士楊學(xué)明、研究員孫志剛與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王興安合作，詳細(xì)研究了具有分波共振的F+HD反應(yīng)的動力學(xué)過程，首次發(fā)現(xiàn)電子角動量對化學(xué)反應(yīng)微分截面的影響。
分子反應(yīng)動力學(xué)是在微觀層次上研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程的學(xué)科。利用交叉分子束實驗裝置結(jié)果和量子分子動力學(xué)理論模擬相結(jié)合，是研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程的基本手段。在單次碰撞而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件下，交叉分子束裝置可以探測到具有振轉(zhuǎn)態(tài)分辨的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物；在構(gòu)建高精度勢能面的基礎(chǔ)上，量子化學(xué)動力學(xué)理論的模擬可以計算出在單次碰撞條件下、具有量子態(tài)分辨的化學(xué)反應(yīng)的散射信息。
經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，交叉分子束實驗裝置的分辨率獲得了很大的提高。1986年諾貝爾化學(xué)獎獲得者李遠(yuǎn)哲教授發(fā)展了當(dāng)時典型的通用型交叉分子束實驗裝置，其具有產(chǎn)物振動態(tài)的分辨率，因而能夠首次對F+H2及其同位素反應(yīng)開展詳細(xì)的研究。上世紀(jì)九十年代所發(fā)展的交叉分子束離子成像裝置，將交叉分子束裝置的研究對象在具有振動態(tài)分辨率的條件下，從三原子反應(yīng)體系擴展到了多原子分子反應(yīng)體系。此外，幾乎同時發(fā)展的氫原子里德堡態(tài)標(biāo)識的時間飛渡譜技術(shù)，將交叉分子束裝置的分辨率提高到了產(chǎn)物的轉(zhuǎn)動態(tài)。利用這樣高分辨率的實驗裝置和精確的量子動力學(xué)理論研究相結(jié)合，清晰的解釋了F+H2及其同位素反應(yīng)中的反應(yīng)共振態(tài)的圖像。近年來，楊學(xué)明和王興安進(jìn)一步發(fā)展了交叉分子束離子成像裝置，使得探測產(chǎn)物的分辨率提高到了產(chǎn)物的轉(zhuǎn)動態(tài)，利用該實驗裝置，結(jié)合新發(fā)展的量子動力學(xué)理論分析方法，在2018年首次確認(rèn)了化學(xué)反應(yīng)中量子幾何相位效應(yīng)的存在（Science, 2018）。至此，化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的研究經(jīng)歷了從產(chǎn)物量子振動態(tài)分辨率到轉(zhuǎn)動態(tài)分辨率的發(fā)展。但是，為了在更微觀層次上研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程，例如研究電子角動量甚至原子核自旋角動量是如何影響化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程的，將是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究的又一個標(biāo)志性的進(jìn)展。
F+HD反應(yīng)是一個非常特殊的反應(yīng)，其具有明顯的分波共振效應(yīng)。針對該反應(yīng)開展高分辨率的反應(yīng)動力學(xué)研究，有可能發(fā)現(xiàn)電子角動量對化學(xué)反應(yīng)的影響。楊學(xué)明和王興安利用其發(fā)展的交叉分子束離子成像裝置，結(jié)合孫志剛發(fā)展的考慮電子角動量效應(yīng)的量子動力學(xué)理論模擬方法，詳細(xì)研究了具有分波共振的F+HD反應(yīng)的動力學(xué)過程：可利用該反應(yīng)中特殊的分波共振現(xiàn)象，來揭示F原子的電子角動量對該反應(yīng)過程的影響；其表現(xiàn)是考慮F原子的電子角動量效應(yīng)之后，單一的分波共振可以變成具有四重精細(xì)結(jié)構(gòu)的分波共振，從而改變化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的角度分布。這一改變十分細(xì)微，只有通過高分辨率的交叉分子束成像裝置才能夠觀測到。
相關(guān)研究結(jié)果于北京時間2月26日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上，該論文的四個評委一致認(rèn)為該研究工作是非常優(yōu)秀的（excellent），并稱贊其是教科書（textbook example）級別的研究成果。該工作得到國家自然科學(xué)基金委和中科院B類先導(dǎo)專項“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”等資助。
