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2020年5月15日，中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)、化學(xué)系講席教授楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)和中科院大連化物所研究員肖春雷、研究員孫志剛、院士張東輝團(tuán)隊(duì)在最簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)氫原子加氫分子的同位素（H+HD→H2+D）反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)中新的量子干涉效應(yīng)，論文發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。這一發(fā)現(xiàn)有助于更深入地理解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，豐富對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

H + HD → H2 +D反應(yīng)散射的軌線示意動(dòng)畫(huà)，其中的黑色曲線代表進(jìn)攻 H 原子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在化學(xué)反應(yīng)中，量子干涉現(xiàn)象普遍存在。但是，想要準(zhǔn)確理解這些干涉產(chǎn)生的根源非常困難，因?yàn)檫@些干涉圖樣復(fù)雜，且在實(shí)驗(yàn)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(yīng)，是所有化學(xué)反應(yīng)中最簡(jiǎn)單的。該體系只涉及三個(gè)電子，因此比較容易精確計(jì)算出這三個(gè)原子在不同構(gòu)型時(shí)的相互作用力。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)求解相應(yīng)的描述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的薛定諤方程，就能夠?qū)崿F(xiàn)分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，從而做到在微觀層次上深入理解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)在2019年先期理論研究工作中發(fā)現(xiàn)，在特定散射角度上，H+HD反應(yīng)生成的產(chǎn)物H2的多少會(huì)隨碰撞能而呈現(xiàn)特別有規(guī)律的振蕩。

針對(duì)這個(gè)有規(guī)律的振蕩現(xiàn)象，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)研究。團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了交叉分子束裝置，實(shí)現(xiàn)了在較高碰撞能處對(duì)后向散射（散射角度為180度）信號(hào)的精確測(cè)量。理論上，進(jìn)一步發(fā)展了量子反應(yīng)散射理論，創(chuàng)造性地發(fā)展了利用拓?fù)鋵W(xué)原理分析化學(xué)反應(yīng)發(fā)生途徑的方法。

拓?fù)鋵W(xué)分析表明，這些后向散射的振蕩實(shí)際上是由兩條反應(yīng)途徑的干涉造成的。這兩條反應(yīng)途徑對(duì)于后向散射均有顯著貢獻(xiàn)，但它們各自的幅度隨著碰撞能變化并無(wú)顯著變化，呈現(xiàn)緩慢的變化趨勢(shì)。它們的相位隨著碰撞能變化，一個(gè)呈線性增加，另外一個(gè)呈線性減小，因此，相互干涉的結(jié)果就呈現(xiàn)了強(qiáng)烈的有規(guī)律的振蕩現(xiàn)象。 

圖1.后向信號(hào)隨碰撞能變化情況

進(jìn)一步采用經(jīng)典軌線理論分析表明，其中一條反應(yīng)途徑對(duì)應(yīng)于通常所熟知的直接反應(yīng)過(guò)程，如下圖G至I所示。而另外一條反應(yīng)途徑對(duì)應(yīng)于一條類(lèi)似于roaming機(jī)理的反應(yīng)過(guò)程，如圖A至F所示。由于這兩條反應(yīng)途徑，剛好以相反的方向圍繞于H+HD反應(yīng)勢(shì)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(shì)能面來(lái)模擬計(jì)算才可以，這也體現(xiàn)了這個(gè)體系反應(yīng)過(guò)程中的幾何相位效應(yīng)。尤其有趣的是，在所研究的碰撞能范圍，通過(guò)漫游機(jī)理而發(fā)生的反應(yīng)只占全部反應(yīng)性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反應(yīng)性，能夠清晰地被理論和實(shí)驗(yàn)所揭示出來(lái)。 

圖2.反應(yīng)散射的軌線示意圖

該項(xiàng)研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程的量子性，另一方面，也揭示了化學(xué)反應(yīng)的途徑的復(fù)雜性。盡管如此簡(jiǎn)單的體系也仍然存在科學(xué)家們認(rèn)識(shí)不到的事實(shí)。同期science雜志上F. Javier Aoiz教授以“How interference reveals geometric phase”為題對(duì)該項(xiàng)工作進(jìn)行了評(píng)述。楊學(xué)明為此文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/368/6492/767.full