科學(xué)家率先觀測到化學(xué)反應(yīng)中的“幾何相位”效應(yīng)

記者從中國科大獲悉，該校王興安教授與中科院大連化學(xué)物理研究所孫志剛研究員等合作，利用自主發(fā)展的國際上最高角度分辨率的交叉分子束離子成像裝置，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。研究成果于近日在線發(fā)表在國際期刊《科學(xué)》上。

“幾何相位”效應(yīng)對化學(xué)反應(yīng)的影響是理論和物理化學(xué)領(lǐng)域一個長期備受關(guān)注的重要科學(xué)問題。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。波恩-奧本海默近似是研究分子等量子體系最為重要的基石，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”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。“幾何相位”效應(yīng)在很多重要物理體系中存在，如量子霍爾效應(yīng)等。

科研人員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。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)。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，研究還在實驗上發(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(jī)理，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。