中国科学家评述趋近绝对零度的量子共振

量子散射共振的研究是物理学和化学的前沿交叉方向。从化学开始，它被称为分子反应动力学。5月8日，中国科学院院士杨、中国科学院化学物理研究所院士、中国南方科技大学院士杨天刚应邀在《科学》杂志发表评论，讨论原子与分子碰撞过程中量子散射共振的研究进展。

“摄影”

“因为原子和分子系统本质上是量子系统，当原子和分子系统碰撞时，包括在大气或星际空间中的各种气相碰撞，它们的量子现象变得越来越明显，特别是在非常低的温度下。因此，研究低温下的碰撞是理解原子和分子碰撞系统的量子本质的重要方法。”杨告诉中国科学日报。

基于此，杨和世界上许多科学家一直想对极低温碰撞系统的量子现象进行研究。

原子和分子之间的碰撞和能量转移以及化学反应过程受量子力学规则的控制。量子效应在低温下更加明显，它对原子和分子碰撞动力学的影响更加明显。然而，由于碰撞过程持续时间短，碰撞过程中量子共振的实验观测挑战非常大。

量子散射共振的研究是分子反应动力学的前沿方向。用物理原理和方法研究化学反应过程或碰撞能量转移过程。通过研究化学反应过程中特有的物理效应来理解化学反应过程。

“由于化学反应的速度非常快，我们希望通过物理方法拍摄反应过程，这相当于拍摄化学反应过程。”杨天刚说道。然而，化学反应中最重要的过渡态是飞秒量级。照相机很难以如此快的速度捕捉化学反应过程。目前，该领域的科学家通常采用高精度的分子束散射方法来研究这些系统随反应能量变化的反应概率和动力学，从而观察碰撞散射共振现象。

你为什么要做接近绝对零度的实验研究？因为量子效应是在高温下原子和分子之间的碰撞系统中被平均化的，但是在非常低的温度下，量子效应更容易保存并且可以通过实验来检测。研究低温下的碰撞过程可以更深入地理解原子和分子碰撞过程的量子本质以及相关的气相化学系统，如大气过程、星际化学等。

起源

杨团队长期从事元素化学反应体系共振现象的研究，取得了一系列重要的研究成果。它在国际上引领了这一方向的发展，对这一领域的发展趋势有了更全面的了解。

这就是为什么荷兰科学家在极低温度下邀请杨和杨天钢评论碰撞能量转移中的量子共振现象的结果。本工作研究了一氧化氮与氦碰撞过程中的能量转移动力学，发现了该系统在接近绝对零度时的一个非常有趣的量子散射共振现象，并对这一现象进行了高水平的理论研究。

杨说，这对于研究原子和分子碰撞能量转移过程中的量子现象具有重要意义。事实上，共振现象也存在于许多化学反应中。杨的研究团队对许多不同的基本反应体系中的共振现象进行了深入而系统的研究。

观点

杨说，他和他的团队在这一领域进行了许多类似的研究。综述中介绍的氟加氢反应研究是他们的研究小组去年在《自然-化学》杂志上发表的一项研究工作。该领域理论计算方法的发展也非常重要。随着计算能力的提高，可以实现更复杂系统的精确模拟，如药物分子设计。此外，量子计算机潜在的重要应用之一是模拟化学反应过程，这可以通过杨团队的研究结果来验证。

F+H2反应在星际化学中具有重要意义。这项工作给出了一个反应仍能在低温下发生的机制，这是经典模型无法解释的。“本文中提到的氟氢化的例子具有非常高的反应屏障，化学反应不应在非常低的温度下发生。然而，因为系统在势垒后面具有非常低能量的量子共振态，所以诱发了量子隧穿效应，并且化学反应发生在绝对零度附近。这是化学反应中非常特殊的现象，对于理解低温下的化学过程具有重要意义。”杨对说道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abb8020