我国科学家观测到化学反应中的“几何相位”效应

最近，中国科学技术大学教授、中国科学院大连化学研究所孙志刚研究员、院士、杨院士等利用自主研发的世界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”效应进行了深入研究，取得了重大突破。该研究结果于12月14日在线发表在国际知名期刊《科学》上，标题为“观察氢+氘→H2+氘反应中的几何相位效应”。

在实验中，和杨等人自主研发了一种独特的交叉分子束反应动力学研究装置，将阈值激光电离技术和离子速度成像技术相结合，使得实验中获得的氢原子产物的散射角分辨率达到了世界同类仪器的最高水平。利用该装置，研究团队成功地测量了H+HD→H2+D反应的全量子态分辨产物速度图像，并通过实验观察到了H2产物前向角分布的快速振荡结构，该结构转变为动态分辨。在理论计算方面，孙志刚等人发展了一种独特的动力学理论来描述化学反应中的几何效应。基于张东晖等人开发的高精度势能面，通过精确的量子动力学分析，发现只有引入“几何相位”效应的理论计算，才能正确描述实验中观察到的前向散射振荡结构。

这一课题的研究进展是科学实验和理论计算的又一次“完美结合”。化学反应中的“几何相位”效应首次被交叉分子束和量子化学方法量化，将化学动力学中的“不可能”变成了“可能”。

“几何相”效应对化学反应的影响也是理论和物理化学领域长期关注的重要科学问题。半个多世纪前，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”来准确描述绝热近似下这些系统的量子动力学行为。“几何相位”的引入改变了量子系统动力学的干涉行为，被称为“几何相位”效应。

研究者在研究中揭示了“几何相”在化学反应中的独特作用和“几何相”效应的物理本质，这对研究广泛存在的锥形交叉量子系统具有重要意义。同时，科学家还发现并证实了高能反应中这一重要反应体系的全新反应机理，这对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。

DOI: 10.1126/science.aav1356