南科大学者应邀在Science发表评述文章“趋近绝对零度的量子共振”
2020年05月09日 科研新闻 浏览量 :3437

5月8日,南方科技大学理学院院长、化学系讲席教授、中国科学院院士杨学明和化学系助理教授杨天罡应邀在《科学》杂志(Science)发表评述文章“Quantum resonances near absolute zero”,讨论趋近绝对零度的原子与分子碰撞过程中量子散射共振研究的进展。杨天罡为文章第一作者,杨学明为文章通讯作者,南科大为第一通讯单位。

原子与分子的碰撞传能以及化学反应过程受量子力学的规则控制。理解量子效应在原子与分子碰撞中的作用是理解能量传递以及化学反应过程的根本。而量子效应在低温下能够更好保存,因此低温条件对碰撞结果的影响会更加显著。量子散射共振给实验提供了一种观测碰撞过程中量子效应的方法,但由于其寿命很短,实验观测的挑战巨大。

评述文章详细介绍了同期《科学》杂志发表的关于极低温量子散射共振的研究工作。通过利用斯塔克减速技术产生的NO(j=1/2f) 束源和冷He束源结合高分辨的速度成像技术,荷兰科学家实现了碰撞能0.3 ~ 12.3 K下NO+He体系的高分辨非弹性散射动力学研究,并观测到了多个共振现象。更有意思的是,这个实验结果只能用CCSDT(Q)下发展的一个最新的精确势能面上的计算来描述,也表明了在此非弹性散射系统中,实验中观测到的量子散射共振图像可以精确测试量子计算结果,帮助理解量子效应在原子分子碰撞能量传递中的作用。

评述文章还介绍了一个趋近绝对零度量子散射共振在化学反应中发挥重要作用的例子。F+H2→HF+H 反应是星际化学中产生HF分子的重要过程。但是F+H2反应具有1.8 kcal/mol高度的势垒(629 cm-1),经典模型下在接近绝对零度时这个反应几率是完全可以忽略的。2019年,大连化物所研究团队通过利用H原子里德堡态标示时间飞渡谱技术,观测到了反应温度低至14 K(9.8 cm-1)时此反应仍然发生的证据,同时观测到了约 40 cm-1碰撞能的一个反应共振峰。进一步理论分析表明,F+H2在低温时的反应性,是通过反应共振态所增强的隧穿效应而产生的,而不是通常简单的隧穿效应,这也是在接近绝对零度下此反应仍然可以发生的原因。如果将共振态所导致的共振增强效应移除,F+H2(v=0,j=0)在10K温度以下的反应速率常数,会降低三个数量级以上。

图1.  F+H2→HF+H反应过程中超冷化学反应共振的物理图像

文章最后指出,趋近绝对零度量子共振的研究进展得益于新的分子束方法以及新的探测技术的发展,精确的理论和实验之间的互动推动这一领域的发展。量子散射共振研究有助于更加深刻理解气相碰撞中的传能以及反应过程,对于理解复杂体系如星际化学,大气以及燃烧等过程也具有重要意义。

杨学明主要从事气相及表面化学动力学研究,发表300余篇论文,其中Science 12篇,Nature 1篇,研究成果两次入选中国十大科技进展新闻。现任国家自然科学基金委化学部主任,中国化学会第三十届理事会副理事长,美国科学促进会Science Advances副主编、美国化学会Journal of Physical Chemistry A/B/C高级编辑、Chinese Journal of Chemical Physics主编,以及Chemical Society Reviews等杂志的编委。

杨天罡研究方向为基元化学反应的微观机理、冷分子反应动力学、量子调控与精密测量。从事研究工作以来,紧密围绕反应共振态在化学反应中的作用、量子隧穿效应在低温星际化学中的应用以及低温离子分子反应动力学开展系列工作,相关成果多次在Science、Nat. Chem.、J. Phys. Chem. Lett. 等国际权威期刊上发表。

 

原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6491/582

杨学明个人主页:http://faculty.sustech.edu.cn/yangxm/

杨天罡个人主页:http://faculty.sustech.edu.cn/yangtg/

参考文献:

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/626

https://www.nature.com/articles/s41557-019-0280-3

 

 

供稿单位:化学系

通讯员:吴笑弟

编辑:吴一敏

主图设计:丘妍

 

 

 

 

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