中國科學(xué)家首次觀測到化學(xué)反應(yīng)中的“幾何相位”效應(yīng)
1927年波恩－奧本海默近似(Born-Oppenheimer Approximation)是研究分子等量子體系最為重要的基石。在這一近似下量子動力學(xué)研究一般忽略非絕熱相互作用且只考慮最低的絕熱能電子態(tài)。但是，當(dāng)量子體系存在錐形交叉如狄拉克錐（Dirac Cone）時，波恩－奧本海默近似在處理這些量子體系時就可能失效。半個多世紀(jì)以前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在波恩－奧本海默近似或絕熱近似下，必須引入“幾何相位”(Geometric Phase)才能在絕熱近似下準(zhǔn)確描述這些體系的量子動力學(xué)行為。而引入“幾何相位”對于量子體系的動力學(xué)行為會產(chǎn)生明顯的效應(yīng)，這就是眾所周知的幾何相位效應(yīng)。幾何相位效應(yīng)在很多重要物理體系中存在，如眾所周知的量子霍爾效應(yīng)中的一種重要的情況就是由于電子的幾何相位效應(yīng)所導(dǎo)致的。
幾何相位效應(yīng)對化學(xué)反應(yīng)的影響也是理論和物理化學(xué)領(lǐng)域一個長期備受關(guān)注的重要科學(xué)問題。在最簡單的化學(xué)反應(yīng)體系H+H2中，電子基態(tài)和第一電子激發(fā)態(tài)勢能面之間存在典型的錐形交叉（請見示意圖）。由于該體系只包含三個原子，可以采用目前的計算方法和計算資源，在理論上對其進(jìn)行精確的描述。因此，H+H2反應(yīng)及其同位素取代反應(yīng)一直是用來研究“幾何相位”效應(yīng)對化學(xué)反應(yīng)影響的模型體系。在過去的幾十年間，許多國際上著名的科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究工作。然而，由于實驗和理論上存在的巨大挑戰(zhàn)，該問題一直以來沒有得到令人信服的結(jié)論。
近日，我校王興安教授、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所孫志剛研究員、張東輝院士和楊學(xué)明院士所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，利用自主發(fā)展的具有國際上最高角度分辨率的交叉分子束離子成像裝置，結(jié)合高精度量子分子反應(yīng)動力學(xué)理論分析，對H+HD反應(yīng)中的“幾何相位”效應(yīng)展開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》為題在線發(fā)表在國際著名期刊《科學(xué)》（Science）上（鏈接http://science.sciencemag.org/content/362/6420/1289）。
在實驗上，王興安教授和楊學(xué)明院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊自主研制了一臺獨特的結(jié)合閾值激光電離技術(shù)以及離子速度成像技術(shù)的交叉分子束反應(yīng)動力學(xué)研究裝置，使得實驗上獲得的氫原子產(chǎn)物的散射角度分辨率達(dá)到了世界上同類儀器的最高水平。利用這一裝置，研究小組成功地測得了H+HD→H2+D反應(yīng)的全量子態(tài)分辨產(chǎn)物速度影像，在實驗上觀測到了轉(zhuǎn)動態(tài)分辨的H2產(chǎn)物前向角分布快速振蕩結(jié)構(gòu)。孫志剛研究員發(fā)展了獨特的描述化學(xué)反應(yīng)中幾何效應(yīng)的動力學(xué)理論，并基于張東輝院士等人發(fā)展的高精度的勢能面，通過精確量子動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，只有引入“幾何相位”效應(yīng)的理論計算才能正確地描述實驗觀測到的前向散射振蕩結(jié)構(gòu)。這項研究揭示了“幾何相位”在化學(xué)反應(yīng)中獨特的作用以及“幾何相位”效應(yīng)的物理本質(zhì)，對于研究廣泛存在錐型交叉的量子體系具有重要意義。同時，通過這項研究，科學(xué)家們還在實驗上發(fā)現(xiàn)和證實了這一重要反應(yīng)體系在高能反應(yīng)時一個全新的反應(yīng)機理，這對于從根本上理解這一重要體系的高能反應(yīng)動力學(xué)具有重要意義。
這項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委動態(tài)化學(xué)前沿研究中心項目、中國科學(xué)院先導(dǎo)B項目和科技部有關(guān)項目的大力支持。
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