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我国学者在化学反应量子几何相位效应的研究中再次取得进展
2020年05月18日    作者: 戴亚飞 高飞雪    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(批准号:21688102, 21590800, 21825303, 21822305)等资助下,中国科学院大连化学物理研究所杨学明院士,张东辉院士,孙志刚研究员和肖春雷研究员研究团队,在氢原子与氢分子的同位素(H+HD→H2+D)反应过程中,发现了新的量子干涉现象,并揭示了该反应中的量子几何相位效应。该成果以“H+HD→ H2 + D 反应中直接抽取机制和漫游插入机制的量子干涉(Quantum interference in H + HD → H2 + D between direct abstraction and roaming insertion pathways)”为题,于2020年5月15日在线发表在《科学》 (Science) 杂志上。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6492/767.full

在化学反应中,量子干涉现象是普遍存在的,但想要准确理解这些干涉现象产生的根源是非常困难的。因为这些干涉的图样十分复杂,而且在实验上也难以精确分辨出这些干涉图样的特征。

H+H2及其同位素的反应,是所有化学反应中最简单的体系。该体系只涉及三个电子的反应,因而比较容易精确计算出该体系在不同构型下的相互作用力。以此为基础,通过精准求解描述该化学反应过程的薛定谔方程,即可精确模拟该化学反应动力学过程。

研究团队在2019年先期理论研究工作中发现,在后向散射角度上,H+HD反应的产物H2会随碰撞能变化而呈现出有规律的振荡。针对该有规律的振荡现象,研究团队开展了详细的实验和理论研究。实验上,通过改进的交叉分子束装置,实现了在较高碰撞能处对后向散射(散射角度为180度)信号的精确测量。理论上,进一步发展了量子反应散射理论,创造性地发展了基于拓扑学原理分析化学反应发生途径的新方法。

拓扑学分析表明,这些后向散射的振荡实际上是由两条反应途径的干涉造成的。这两条反应途径对于后向散射均有显著贡献,但它们各自的幅度随着碰撞能变化并未显著变化。重要的是,它们的相位却随着碰撞能变化,一个呈线性增加,另一个呈线性减少。由于这个原因,它们相互干涉的结果便呈现出了有规律的振荡现象。

进一步采用经典轨线理论分析表明,其中一条反应途径对应于通常所熟知的直接反应过程;而另一条反应途径对应于类似于漫游(roaming)机理的反应过程。这两条反应途径以相反的方向围绕于H+HD反应势能面上的锥形交叉,所以它们的干涉图样必须在考虑几何相位效应后才能够正确再现。更有趣的是,在所研究的碰撞能范围内,通过漫游机理所发生的反应只占全部反应性的0.3%左右。但如此微弱的小部分反应性,却能够清晰地被理论和实验所揭示出来。

该项研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而发生化学反应过程的量子性和其重要的几何相位效应;另一方面,也揭示了化学反应过程是极其复杂的,尽管如此简单的体系也依然存在着科学家们认识不到的细节。

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图1: (左)H+HD→H2+D 反应发生时所经历的两条拓扑途径示意图;(右)后向散射产物H2(v′=2, j′=3) 微分截面的理论与实验对比.

附:

Yurun Xie, Hailin Zhao, Yufeng Wang, Yin Huang, Tao Wang, Xin Xu, Chunlei Xiao*, Zhigang Sun*, Dong H. Zhang*, Xueming Yang*, Quantum interference in H+HD → H2+D between direct abstraction and roaming insertion pathways, Science, 2020.

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

英文题目:Quantum interference in H+HD → H2+D between direct abstraction and roaming insertion pathways

中文题目:H+HD → H2 + D 反应中直接抽取机制和漫游插入机制的量子干涉

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