【儀表網 儀表研發】近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員肖春雷、孫志剛、中科院院士張東輝和楊學明團隊在簡單化學反應氫原子加氫分子的同位素(H+HD→H2+D)反應中，發現了化學反應中新的量子干涉效應，有助于更深入地理解化學反應過程，豐富對化學反應的認識。
 

　　在化學反應中，量子干涉現象是普遍存在的。但是，想要準確理解這些干涉產生的根源非常困難，因為這些干涉的圖樣復雜，而且在實驗上也難以精確分辨這些干涉圖樣的特征。
 

　　H+H2及其同位素的反應，是所有化學反應中簡單的。該體系只涉及三個電子，因此比較容易精確計算出這三個原子在不同構型時的相互作用力。在此基礎上，通過求解相應的描述化學反應過程的薛定諤方程，就能夠實現分子反應動力學過程的計算機模擬，從而做到在微觀層次上深入理解化學反應過程。研究團隊在2019年先期理論研究工作中發現，在特定散射角度上，H+HD反應生成的產物H2的多少會隨碰撞能而呈現特別有規律的振蕩。
 

　　薛定諤方程(Schrödinger equation)又稱薛定諤波動方程(Schrodinger wave equation)，是由奧地利物理學家薛定諤提出的量子力學中的一個基本方程，也是量子力學的一個基本假定。
 

　　它是將物質波的概念和波動方程相結合建立的二階偏微分方程，可描述微觀粒子的運動，每個微觀系統都有一個相應的薛定諤方程式，通過解方程可得到波函數的具體形式以及對應的能量，從而了解微觀系統的性質。薛定諤方程表明量子力學中，粒子以概率的方式出現，具有不確定性，宏觀尺度下失效可忽略不計。
 

　　針對這個有規律的振蕩現象，該團隊開展了理論結合實驗的詳細研究。實驗上，通過改進了的交叉分子束裝置，實現了在較高碰撞能處對后向散射(散射角度為180度)信號的精確測量。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。
 

　　拓撲學分析表明，這些后向散射的振蕩實際上是由兩條反應途徑的干涉造成的。這兩條反應途徑對于后向散射均有顯著貢獻，但它們各自的幅度隨著碰撞能變化并無顯著變化，呈現緩慢的變化趨勢。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，相互干涉的結果就呈現了強烈的有規律的振蕩現象。
 

　　拓撲是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的一些性質的一個學科。它只考慮物體間的位置關系而不考慮它們的形狀和大小。
 

　　拓撲英文名是Topology，直譯是地志學，最早指研究地形、地貌相類似的有關學科。幾何拓撲學是十九世紀形成的一門數學分支，它屬于幾何學的范疇。有關拓撲學的一些內容早在十八世紀就出現了。那時候發現的一些孤立的問題，在后來的拓撲學的形成中占著重要的地位。
 

　　進一步采用經典軌線理論分析表明，其中一條反應途徑對應于通常所熟知的直接反應過程。而另外一條反應途徑對應于一條類似于roaming機理的反應過程。由于這兩條反應途徑，剛好以相反的方向圍繞于H+HD反應勢能面上的錐形交叉，所以它們的干涉圖樣必須采用非絕熱耦合的勢能面來模擬計算才可以，這也體現了這個體系反應過程中的幾何相位效應。尤其有趣的是，在所研究的碰撞能范圍，通過漫游機理而發生的反應只占全部反應性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反應性，能夠清晰地被理論和實驗所揭示出來。
 

　　該項研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而發生化學反應過程的量子性，另一方面也揭示了化學反應的途徑是復雜的。盡管如此，簡單的體系也仍然存在科學家們認識不到的事實。