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中國科學家首次觀測到化學反應中的“幾何相位”效應

時間:2018-12-14 09:28:53 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  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。但是,當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。半個多世紀以前,科學家發現在波恩-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確描述這些體系的量子動力學行為。而引入“幾何相位”對于量子體系的動力學行為會產生明顯的效應,這就是眾所周知的幾何相位效應。幾何相位效應在很多重要物理體系中存在,如眾所周知的量子霍爾效應中的一種重要的情況就是由于電子的幾何相位效應所導致的。


 

  幾何相位效應對化學反應的影響也是理論和物理化學領域一個長期備受關注的重要科學問題。在最簡單的化學反應體系H+H2中,電子基態和第一電子激發態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,在理論上對其進行精確的描述。因此,H+H2反應及其同位素取代反應一直是用來研究“幾何相位”效應對化學反應影響的模型體系。在過去的幾十年間,許多國際上著名的科學家進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,該問題一直以來沒有得到令人信服的結論。

  近日,我校王興安教授、中國科學院大連化學物理研究所孫志剛研究員、張東輝院士和楊學明院士所領導的團隊,利用自主發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,結合高精度量子分子反應動力學理論分析,對H+HD反應中的“幾何相位”效應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》為題在線發表在國際著名期刊《科學》(Science)上(鏈接
http://science.sciencemag.org/content/362/6420/1289)。

  在實驗上,王興安教授和楊學明院士領導的團隊自主研制了一臺獨特的結合閾值激光電離技術以及離子速度成像技術的交叉分子束反應動力學研究裝置,使得實驗上獲得的氫原子產物的散射角度分辨率達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反應的全量子態分辨產物速度影像,在實驗上觀測到了轉動態分辨的H2產物前向角分布快速振蕩結構。孫志剛研究員發展了獨特的描述化學反應中幾何效應的動力學理論,并基于張東輝院士等人發展的高精度的勢能面,通過精確量子動力學分析發現,只有引入“幾何相位”效應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構。這項研究揭示了“幾何相位”在化學反應中獨特的作用以及“幾何相位”效應的物理本質,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,科學家們還在實驗上發現和證實了這一重要反應體系在高能反應時一個全新的反應機理,這對于從根本上理解這一重要體系的高能反應動力學具有重要意義。

  這項研究工作得到了國家自然科學基金委動態化學前沿研究中心項目、中國科學院先導B項目和科技部有關項目的大力支持。


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