中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員孫志剛，中國科學(xué)院院士張東輝、楊學(xué)明等與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王興安等合作，利用自主發(fā)展的具有國際上最高分辨率的交叉分子束離子成像裝置，結(jié)合高精度量子分子反應(yīng)動力學(xué)理論分析，對H+HD反應(yīng)中的“幾何相位”效應(yīng)展開深入研究并取得新進(jìn)展。研究成果于12月14日發(fā)表在國際期刊《科學(xué)》（Science）雜志上。

論文鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/362/6420/1289

　　

在實驗上，王興安和楊學(xué)明等自主研制了一臺獨(dú)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，使得實驗上獲得的氫原子產(chǎn)物的散射角度分辨率達(dá)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(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)。

在理論計算上，孫志剛等發(fā)展了獨(dú)特的描述化學(xué)反應(yīng)中“幾何相位”的動力學(xué)理論，并基于張東輝等發(fā)展的高精度的勢能面，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)。該進(jìn)展是科學(xué)實驗與理論計算的又一次“完美結(jié)合”，用交叉分子束和量子化學(xué)方法首次定量了化學(xué)反應(yīng)中的“幾何相位”作用，把化學(xué)動力學(xué)中的一個“不可能”變成了“可能”。

　　

該項研究揭示了“幾何相位”在化學(xué)反應(yīng)中獨(dú)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，通過這項研究，科學(xué)家們還在實驗上發(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，這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。

　　

 

大連化物所等首次觀測到化學(xué)反應(yīng)中的“幾何相位”效應(yīng)

“幾何相位”效應(yīng)對化學(xué)反應(yīng)的影響也是理論化學(xué)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。在最簡單的化學(xué)反應(yīng)體系H+H2中，電子基態(tài)和第一電子激發(fā)態(tài)勢能面之間存在典型的錐形交叉。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(jìn)行精確的描述。因此，H+H2反應(yīng)及其同位素取代反應(yīng)一直是用來研究“幾何相位”效應(yīng)對化學(xué)反應(yīng)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(xué)家進(jìn)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(zhàn)，該問題一直以來沒有得到令人信服的結(jié)論。

　　

該項研究工作得到國家自然科學(xué)基金委動態(tài)化學(xué)前沿研究中心項目、中科院先導(dǎo)B項目和科技部有關(guān)項目的大力支持。（來源：大連化物所）