较低能量下化学反应中量子几何相位效应获揭示

较低能量下化学反应中的量子几何相位效应

近日，中科院大连化学物理研究所研究员孙志刚、院士杨学明和中国科技大学教授王兴安合作，在H+HD→H2+D反应中的几何相位效应研究取得新进展。相关研究发表于《自然—通讯》。

几何相位效应是一种量子力学现象，是系统的哈密顿绝热沿着闭合的参数回路周期性变化时，在波函数上引入的附加相位。几十年来，该现象在凝聚态物理研究领域被广泛关注，其与量子霍尔效应以及拓扑绝缘体的研究，都有密切关系。

在分子体系中，几何相位效应在势能面间的锥形交叉区域附近产生。在过去的研究中，研究人员对几何相位效应对于分子光谱的影响已有了比较充分的认识。但是在反应动力学领域，由于化学反应的复杂性，长期以来，研究人员对几何相位效应对于化学反应的影响并没有确切的认识。

孙志刚介绍大连化物所研究团队和王兴安团队合作，在2018年首次观测到了能量为2.77电子伏时H+HD→H2+D反应中的几何相位效应，其反应能量高于锥形交叉点（锥形交叉产生于2.5电子伏能量左右），因而几何相位效应相对比较明显。

此次研究工作则侧重于反应能量低于锥形交叉点的几何相位效应的研究。能量越低，几何相位效应越微弱，因而研究难度也更大。研究人员通过进一步发展离子成像交叉分子束技术和基于超球坐标的反应动力学理论，在2.28电子伏反应能量的地方，成功观测到了H+HD→H2+D反应中的几何相位效应。研究发现和之前2.77电子伏反应能量处的几何相位效应不同，在较低能量处，几何相位效应不仅仅体现在前向散射振荡上，而且也较多地体现在后向散射振荡上。

研究团队采用经典轨线理论分析，揭示了几何相位效应来自于直接反应途径和漫游反应途径的干涉效应。充分证实了在采用波恩奥本海默近似之后，化学反应中的几何相位效应是真实存在的。几何相位效应对于化学反应的影响，是以影响微分截面的角分布样式而体现的。（来源：中国科学报 刘万生 黄寅）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17381-4

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