科学家发表趋近绝对零度的量子共振评述文章

5月8日，中科院化学所的杨院士和中国南方科技大学的杨天刚博士应邀在《科学》杂志上发表了一篇评论文章，讨论了原子和分子在接近绝对零度的碰撞过程中的量子散射共振的研究进展。

众所周知，原子和分子之间的碰撞能量转移和化学反应过程受量子力学规则的控制。理解量子效应在原子-分子碰撞中的作用是理解能量转移和化学反应过程的基础。量子效应在低温下可以得到更好的保持，因此在低温下对碰撞结果的影响将更加显著。量子散射共振提供了一种观察碰撞过程中量子效应的方法。然而，由于其短暂的“寿命”，实验观察非常具有挑战性。

本文详细介绍了荷兰科学家在同一时期(Science，6494，626-630，2020)发表的关于极低温下量子散射共振的研究工作。利用高分辨率速度成像技术，结合斯塔克减速技术产生的一氧化氮(j=1/2f)束源和冷氦束源，研究了一氧化氮+氦体系在0.3 ~ 12.3开尔文碰撞能量下的高分辨率非弹性散射动力学，观察到了几种共振现象。此外，实验结果只能通过在CCSDT(Q)下发展的最新精确势能面的计算来描述，这也表明在这种非弹性散射系统中，实验观察到的量子散射共振图像可以精确地测试量子计算结果，并且有助于理解量子效应在原子和分子碰撞的能量转移中的作用。

文章还介绍了大连化学研究所在绝对零度附近研究量子散射共振并在化学反应中发挥重要作用的实例。F+H2HF+H反应是星际化学中产生HF分子的一个重要过程。然而，F+H2反应的势垒为1.8千卡/摩尔。在经典模型下，当接近绝对零时，反应概率完全可以忽略。杨的团队对现有的用于标记氢原子里德堡态的时间跃迁光谱的交叉分子束装置进行了显著改进，观察到当反应温度低至14开尔文时反应仍然发生的证据，并且还观察到约40 cm-1碰撞能量的反应共振峰。进一步的理论分析表明，F+H2在低温下的反应性是由反应的共振态增强的隧穿效应产生的，而不是通常的简单隧穿效应，这也是该反应仍能在绝对零度附近发生的原因。如果消除共振态引起的共振增强效应，10 K以下的F+H2(v=0，j=0)的反应速率常数将降低3个数量级以上。

文章最后指出，量子共振接近绝对零度的研究进展得益于新分子束方法和新检测技术的发展，精确理论和实验的相互作用促进了这一领域的发展。量子散射共振研究有助于研究者更深入地了解气相碰撞中的能量传递和反应过程。这对于理解星际化学、大气和燃烧过程等复杂系统也具有重要意义。

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.abb8020