近日，大連化物所化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)動力學(xué)研究中心袁開軍研究員、楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)謝代前教授、韓山雨副教授團(tuán)隊(duì)，在分子光化學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，觀測到水分子光解離通過單一錐形交叉反應(yīng)通道時(shí)形成的量子干涉現(xiàn)象。
量子干涉是量子力學(xué)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(xué)家Thomas Young在楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中首次觀測到量子干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了光的波動特性，成為科學(xué)史上的重要里程碑。在化學(xué)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(yùn)動，有可能也同時(shí)沿著多條不同的路徑進(jìn)行。這些路徑對應(yīng)的量子波函數(shù)會互相干涉，從而增強(qiáng)或減弱反應(yīng)發(fā)生的概率。
21世紀(jì)初，研究人員首次在水分子的121.6 nm光解離實(shí)驗(yàn)中觀測到來自兩個(gè)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(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)的直接證據(jù)。
在本工作中，大連化物所袁開軍、楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(xué)計(jì)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(shí)直接和間接路徑的量子干涉。直接路徑通過交叉點(diǎn)后在基態(tài)快速解離，間接路徑則在交叉點(diǎn)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(shí)間不同，其物理本質(zhì)與光學(xué)中的單縫衍射相似。
該工作結(jié)合高分辨實(shí)驗(yàn)和高精度理論計(jì)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(xué)反應(yīng)過程的本質(zhì)認(rèn)識，為量子調(diào)控非絕熱動力學(xué)提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。該研究成果為理解復(fù)雜分子體系的光化學(xué)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(xué)》（Nature Chemistry）上。該工作的第一作者是南京大學(xué)博士研究生王俊彥和大連化物所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生羅子杰。該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“基于極紫外光源的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)精準(zhǔn)探測”等項(xiàng)目的支持。
