光波的雙縫幹涉 孫志剛供圖
■本報記者 崔雪芹 劉萬生
隨著微觀粒子各種量子現象研究的不斷開展，量子力學的大廈逐漸搭建起來。同時，與之相關的化學反應動力學過程中的量子力學現象，經歷幾十年的研究更顯具體。
近日，《科學》在線發表中科院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）分子反應動力學國家重點實驗室（以下簡稱實驗室）楊學明和張東輝兩位院士團隊最新研究成果。他們在對「最簡單」的化學反應氫原子加氫分子的同位素反應的研究中，發現了一種不常見的量子幹涉效應，並且利用這一量子幹涉效應首次揭示了化學反應中遠低於錐形交叉點的幾何相位效應。
「該研究再次揭示了化學反應的途徑是複雜而有趣的。儘管這一自然界中最簡單的反應體系已經被研究得相當透徹，但仍然存在著科學家們以前完全認識不到的奇特化學反應機理。同時，量子幹涉效應的發現也揭示了原子分子因碰撞而發生化學反應過程的量子特性。」楊學明告訴《中國科學報》。
「這有助於更加深入地理解化學反應過程，豐富對化學反應的認識。」 論文作者之一、大連化物所研究員孫志剛說。
因為 「測量」而精確
如果從鑽木取火算起，人類利用化學反應已有極長歷史。關於化學反應的知識，早已成為現代文明的重要基石。然而迄今為止，人類對化學反應的理解仍是粗淺的。在很多人眼中，化學仍然是一門半經驗的科學。
這種情況正在發生變化。正如實驗室新完成的這項工作，科學家們通過結合實驗，努力發展準確模擬和預測化學反應的方法，使化學研究日益變得精確和細緻。
研究團隊通過不斷改進交叉分子束實驗裝置，極大地提高了實驗解析度，在量子態和散射角同時分辨的水平上對化學反應的產物進行測量，最終在反應中成功捕捉了量子幹涉現象的蛛絲馬跡。
「我們研究的目的，是理解化學反應到底怎麼發生，從而發展出準確模擬和預測化學反應的方法。也許有一天，當人們提起化學，腦海裡浮現的不再是試管燒杯；當人們想了解某個化學反應，他會拿起鍵盤，往計算機中輸入分子式，計算機會告訴他具體的化學反應過程。」論文作者之一、大連化物所研究員肖春雷說。
化學反應的「量子性過程」
化學反應的發生，本質上是微觀粒子的碰撞，並伴隨化學鍵的斷裂和生成。因此在化學反應中，量子現象是普遍存在的。但是，想要準確理解這些量子現象產生的根源非常困難，因為量子現象很容易被掩蓋，而且實驗也難以精確分辨這些量子現象的特徵。
「解決複雜問題經常從簡單模型入手。在自然界所有化學反應中，氫原子加氫分子及其同位素的反應是最簡單的。該體系只涉及三個電子，因此能夠精確計算出這三個電子在不同構型時的相互作用力。」孫志剛說，在此基礎上，通過求解薛丁格方程，就能夠實現分子反應動力學過程的計算機模擬，從而在微觀層面上深入理解化學反應過程。
基於前期的研究，孫志剛和博士生趙海林通過理論模擬發現，在特定散射角度上，H+HD反應生成的產物氫分子的多少會隨碰撞能而呈現特別規律的振蕩。類似的振蕩現象在不少反應的理論計算結果中出現過，但是那些振蕩都沒有像H+HD反應這麼有規律。
捕捉反應中的「蛛絲馬跡」
針對這個振蕩現象，大連化物所開展了理論結合實驗的詳細研究。「該研究在理論上，進一步發展了量子反應散射理論，創造性地發展了利用拓撲學原理來分析化學反應發生途徑的方法。實驗上，通過改進的交叉分子束裝置，實現了在較高碰撞能處對後向散射信號的精確測量。」肖春雷說。
拓撲學分析表明，這些後向散射的振蕩實際上是由兩條反應途徑的幹涉造成的。這兩條反應途徑對於後向散射均有顯著貢獻，但它們各自的幅度隨著碰撞能變化並無顯著變化，呈現出一條比較光滑的曲線。而它們的相位隨著碰撞能變化，一個呈線性增加，另外一個呈線性減小，因此，相互幹涉的結果就呈現出強烈的有規律的振蕩現象。
研究人員進一步採用經典軌線理論進行分析，結果表明，其中一條反應途徑對應於我們所熟知的直接反應過程： H碰撞後直接「拐」走了HD中的H原子；而另外一條反應途徑對應於一條被稱為「漫遊機理」的反應過程：H與HD開始碰撞，「漫遊」之後插入到了HD中間，才把HD中的H原子「拐」走。這是一種非常奇特的反應通道。
「這兩條不同類型的反應途徑所產生的氫分子，在特定的散射角度匯合併產生幹涉，導致反應產物氫分子產生了有規律的振蕩。」孫志剛表示。尤其有趣的是，在所研究的碰撞能範圍，通過漫遊插入機理而發生的反應只佔全部反應的0.3%。而如此微弱的反應通道卻能夠與主要反應通道之間呈現清晰而奇特的量子幹涉效應。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb1564
《中國科學報》 (2020-06-04 第4版 綜合)