中國學者展望分子碰撞中的量子干涉現象研究

　　11月19日，中國科學技術大學王興安教授和中國科學院大連化學物理研究所、南方科技大學楊學明院士應邀在《科學》雜志發表題為“分子雙狹縫實驗”的評述文章，深入探討并展望了分子碰撞中的立體動力學與量子干涉現象研究。

　　1801年，英國物理學家托馬斯·楊以著名的楊氏雙狹縫實驗證實了光具有波動特性，這一實驗是科學上的一個重要里程碑。1927年，美國物理學家戴維森、革末通過電子束在金屬鎳表面的散射行為觀測到了電子的波動性。這些實驗同20世紀初的一系列重要實驗共同支撐了“波粒二象性”這一微觀描述，推動了現代量子力學的發展。對分子碰撞中量子效應的精確測量和描述，是理解原子分子量子動力學的關鍵。隨著激光、分子束等實驗技術的快速發展，科學家們已經可以對碰撞分子的量子態和空間取向進行精細調控。

　　該文章詳細介紹了同期《科學》雜志發表的關于分子非彈性碰撞傳能過程的立體動力學及量子干涉現象的研究。美國科學家成功實現了對氘氣分子的高效振動態激發，并選擇性地精準制備了單軸、雙軸兩種具有不同特性的量子態。研究人員發現處于雙軸態的分子在散射中會表現出與單軸態明顯不同的實驗結果，這一差異來源于雙軸態中不同鍵軸取向之間的量子干涉。這是在分子碰撞體系中首次通過激光制備出類似于楊氏實驗的“雙狹縫”，進而影響雙分子碰撞的微觀動力學過程。

　　文章還重點介紹了一個開展量子干涉以及立體動力學研究的理想化學反應體系：氫原子加氫分子反應及其同位素反應體系。該反應一直是化學動力學領域的重要基準體系，也是實驗與理論互動的成功范例。這一系列反應的電子基態和電子激發態的勢能面間具有非常著名的錐形交叉，使得氫交換反應體系天然地具備兩個不可區分的反應路徑。此前，楊學明和王興安以及合作者通過對兩個路徑干涉行為的精密測量，成功地回答了此前一直懸而未決的化學反應中的幾何相位問題。

　　結合先進的激光量子態制備和分子空間取向技術，科學家們將能通過交叉分子束實驗對氫交換等反應開展進一步的精密動力學測量，借助激光選態的“雙狹縫實驗”深入理解基元反應的量子干涉行為和立體動力學，有望在未來實現對基元化學反應的立體量子動力學控制。