我国科学家观测到化学反应中的“几何相位”效应

2018-12-14 科学网

  近日,由中国科学技术大学王兴安教授,中科院大连化物所孙志刚研究员、张东辉院士、杨学明院士等人,利用自主发展的具有国际上最高分辨率的交叉分子束离子成像装置,结合高精度量子分子反应动力学理论分析,对H+HD反应中的“几何相位”效应展开深入研究并取得重大突破。研究成果于12月14日以“Observation of the geometric phase effect in the H+HD→H2+D reaction”为题在线发表在国际著名期刊《科学》(Science)杂志上。

  在实验上,王兴安和杨学明等人自主研制了一台独特的结合阈值激光电离技术,以及离子速度成像技术的交叉分子束反应动力学研究装置,使得实验上获得的氢原子产物的散射角度分辨率达到了世界上同类仪器的最高水平。利用这一装置,研究小组成功地测得了H+HD→H2+D反应的全量子态分辨产物速度影像,在实验上观测到了转动态分辨的H2产物前向角分布快速振荡结构。在理论计算上,孙志刚等人发展了独特的描述化学反应中几何效应的动力学理论,并基于张东辉等人发展的高精度的势能面,通过精确量子动力学分析发现,只有引入“几何相位”效应的理论计算才能正确地描述实验观测到的前向散射振荡结构。

  本项课题的研究进展是科学实验与理论计算的又一次“完美结合”,用交叉分子束和量子化学方法首次定量了化学反应中的“几何相位”作用,把化学动力学中的一个“不可能”变成了“可能”。

  “几何相位”效应对化学反应的影响也是理论和物理化学领域一个长期备受关注的重要科学问题。半个多世纪以前,科学家发现在波恩-奥本海默近似或绝热近似下,必须引入“几何相位”(Geometric Phase)才能在绝热近似下准确描述这些体系的量子动力学行为。而引入“几何相位”对于量子体系的动力学的干涉行为产生改变,这就是众所周知的“几何相位”效应。

  科研人员在研究中揭示了“几何相位”在化学反应中独特的作用以及“几何相位”效应的物理本质,对于研究广泛存在锥型交叉的量子体系具有重要意义。同时,科学家们还在实验上发现和证实了这一重要反应体系在高能反应时一个全新的反应机理,这对于从根本上理解这一重要体系的高能反应动力学具有重要意义。

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