近日,中國科學院大連化學物理研究所袁開軍研究員、楊學明院士團隊聯(lián)合南京大學謝代前教授、韓山雨副教授團隊,在分子光化學領(lǐng)域取得新進展,利用大連相干光源觀測到水分子光解離通過單一錐形交叉反應(yīng)通道時形成的量子干涉現(xiàn)象。

量子干涉是量子力學的核心原理,是微觀粒子波動性的重要體現(xiàn)。1801年,英國物理學家Thomas Young在楊氏雙縫實驗中首次觀測到量子干涉現(xiàn)象,驗證了光的波動特性,成為科學史上的重要里程碑。在化學反應(yīng)中,作為微觀粒子的原子和分子從反應(yīng)物到產(chǎn)物的運動,有可能也同時沿著多條不同的路徑進行。這些路徑對應(yīng)的量子波函數(shù)會互相干涉,從而增強或減弱反應(yīng)發(fā)生的概率。
21世紀初,研究人員首次在水分子的121.6 nm光解離實驗中觀測到來自兩個不同錐形交叉區(qū)解離通道的量子干涉,此后量子干涉現(xiàn)象在化學反應(yīng)中被陸續(xù)揭示。迄今為止,這些干涉現(xiàn)象大多源于兩條空間上可區(qū)分的反應(yīng)路徑,類似雙縫干涉。相比之下,光學中另一類基本干涉現(xiàn)象—— “單縫衍射”,由于源于同一反應(yīng)通道內(nèi)不同路徑的相干疊加,長期缺乏實驗的直接證據(jù)。

在本工作中,中國科學院大連化學物理研究所袁開軍、楊學明團隊利用極紫外光源制備水分子同位素(HOD)到高激發(fā)態(tài),結(jié)合高分辨探測技術(shù)測量產(chǎn)物的量子態(tài)分布,發(fā)現(xiàn)OD產(chǎn)物振轉(zhuǎn)量子態(tài)分布隨激發(fā)波長變化。謝代前和韓山雨團隊基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了水分子高精度多電子態(tài)耦合勢能面,結(jié)合全維量子動力學計算闡明該現(xiàn)象來源于水分子在單一錐形交叉通道解離時直接和間接路徑的量子干涉。直接路徑通過交叉點后在基態(tài)快速解離,間接路徑則在交叉點的上錐區(qū)被短暫捕獲后再轉(zhuǎn)移至基態(tài)解離。這兩類反應(yīng)路徑在空間上不可區(qū)分,但經(jīng)歷的時間不同,其物理本質(zhì)與光學中的單縫衍射相似。
該工作結(jié)合高分辨實驗和高精度理論計算,展示了分子光解離通過單一反應(yīng)通道的量子干涉現(xiàn)象,深化了對勢能面錐形交叉相關(guān)的非絕熱化學反應(yīng)過程的本質(zhì)認識,為量子調(diào)控非絕熱動力學提供了新的思路和實驗依據(jù)。該研究成果為理解復(fù)雜分子體系的光化學行為提供了關(guān)鍵理論支撐。
相關(guān)成果以 “Quantum interference between direct and indirect reaction paths in the photodissociation of HOD” 為題,發(fā)表在《自然-化學》(Nature Chemistry)上。該工作的第一作者是南京大學博士研究生王俊彥和中國科學院大連化學物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生羅子杰。該研究得到國家自然科學基金、科技部科技創(chuàng)新2030重大項目、中國科學院B類先導專項“基于極紫外光源的化學反應(yīng)過渡態(tài)精準探測”等項目的支持。(文/圖 轉(zhuǎn)自中國科學院大連化學物理研究所所主頁)
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