哈佛大学最新Nature：超冷化学的统计动力学精确测试

木文韬 3年前 (2021-05-20) 6507浏览

【引言】

在最基本的层面上，化学反应是反应物转化为生成物的量子力学过程。因此，一个反应的完整表征需要反应物和生成物的量子态解析。在过去的十年中，超冷分子已经成为一个强大的平台，可以实现对反应物的各种内部自由度的完全控制。此外，超冷分子之间的碰撞是以单一的最低允许的分波（s-或p-波）发生的。利用这些高度控制的分子，对整体反应速率的研究以前所未有的分辨率揭示了长程力和散射共振的影响。然而，对这些超冷反应在状态与状态之间的完整表征仍然具有挑战性，到目前为止，进展仅限于弱结合系统，这就需要一种全面的方法来检测反应产物的量子态信息。超低温反应给目前的反应动力学理论带来了挑战，并能在其发展的下一阶段发挥关键作用。一方面，在超低温度下制备反应物可以在仅涉及三或四个原子的反应中引起高度复杂的动力学。另一方面，这些系统的小尺寸使它们有利于完成产物量子态映射。这样的测量，当与确定性的反应物状态制备相结合时，将为未来的理论提供最精确的基准。尽管超冷反应的复杂性阻碍了精确的量子计算，但统计理论为描述其动力学特征提供了一个可行的选择。这种理论的核心假设是，中间复合物有足够的时间来勘察反应相空间，并在可用的运动模式中重新分配其能量，从而导致散射概率在所有允许的产物通道中的平等分配。这个模型已被广泛用于预测复合物形成反应的产物状态分布，并取得了合理的成功，尽管发现了系统性的偏差，而且常常被归因于复合物寿命不够长。相比之下，由于超冷反应的中间阶段较长，对这些系统的状态调查将为统计理论提供严格的测试，并允许对任何非统计行为进行批判性评估。此外，超冷反应中碰撞能量和分波的精确制备，为考察能量阈值附近产物状态的量子效应提供了机会。

【成果简介】

今日，在哈佛大学倪康坤教授和Liu Yu（共同通讯作者）团队带领下，报告了2KRb→K₂+ Rb₂反应的全部产物状态分布。反应物的超冷制备能够完全控制它们的初始量子自由度，而对两种产物的状态解析、重合检测使散射到57个允许的旋转状态对中的每一个的概率得以测量。结果显示，与基于统计理论的状态计数模型总体上是一致的，但同时也揭示了几个偏离的状态对。特别是，团队观察到在最接近外能极限的状态对中，由于长程力抑制了产物的逃逸，产量受到了强烈的抑制。测量的完整性为量子动力学计算提供了一个超越当前技术水平的基准。相关成果以题为“Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry”发表在了Nature。

【图文导读】

图1KRb分子之间超冷反应的能量学和产物量子态