科學家率先觀測到化學反應中的“幾何相位”效應

記者從中國科大獲悉，該校王興安教授與中科院大連化學物理研究所孫志剛研究員等合作，利用自主發展的國際上最高角度分辨率的交叉分子束離子成像裝置，對H+HD反應中的“幾何相位”效應展開深入研究并取得重大突破。研究成果于近日在線發表在國際期刊《科學》上。

“幾何相位”效應對化學反應的影響是理論和物理化學領域一個長期備受關注的重要科學問題。然而，由于實驗和理論上存在的巨大挑戰，該問題一直以來沒有得到令人信服的結論。波恩-奧本海默近似是研究分子等量子體系最為重要的基石，半個多世紀以前，科學家發現在波恩-奧本海默近似或絕熱近似下，必須引入“幾何相位”才能在絕熱近似下準確描述這些體系的量子動力學行為。“幾何相位”效應在很多重要物理體系中存在，如量子霍爾效應等。

科研人員自主研制了一臺獨特的結合閾值激光電離技術以及離子速度成像技術的交叉分子束反應動力學研究裝置。利用這一裝置，研究小組成功地測得了H+HD→H2+D反應的全量子態分辨產物速度影像，在實驗上觀測到了轉動態分辨的H2產物前向角分布快速振蕩結構。通過精確量子動力學分析發現，只有引入“幾何相位”效應的理論計算才能正確地描述實驗觀測到的前向散射振蕩結構。

這項研究揭示了“幾何相位”在化學反應中獨特的作用以及“幾何相位”效應的物理本質，對于研究廣泛存在錐型交叉的量子體系具有重要意義。同時，研究還在實驗上發現和證實了這一重要反應體系在高能反應時一個全新的反應機理，對于從根本上理解這一重要體系的高能反應動力學具有重要意義。