到目前為止，進展僅限于弱結(jié)合系統(tǒng)，這就需要一種全面的方法來檢測反應產(chǎn)物的量子態(tài)信息。超低溫反應給目前的反應動力學理論帶來了挑戰(zhàn)，并能在其發(fā)展的下一階段發(fā)揮關鍵作用。
在最基本的層面上，化學反應是反應物轉(zhuǎn)化為生成物的量子力學過程。因此，一個反應的完整表征需要反應物和生成物的量子態(tài)解析。在過去的十年中，超冷分子已經(jīng)成為一個強大的平臺，可以實現(xiàn)對反應物的各種內(nèi)部自由度的完全控制。此外，超冷分子之間的碰撞是以單一的最低允許的分波（s-或p-波）發(fā)生的。利用這些高度控制的分子，對整體反應速率的研究以前所未有的分辨率揭示了長程力和散射共振的影響。然而，對這些超冷反應在狀態(tài)與狀態(tài)之間的完整表征仍然具有挑戰(zhàn)性，到目前為止，進展僅限于弱結(jié)合系統(tǒng)，這就需要一種全面的方法來檢測反應產(chǎn)物的量子態(tài)信息。超低溫反應給目前的反應動力學理論帶來了挑戰(zhàn)，并能在其發(fā)展的下一階段發(fā)揮關鍵作用。一方面，在超低溫度下制備反應物可以在僅涉及三或四個原子的反應中引起高度復雜的動力學。另一方面，這些系統(tǒng)的小尺寸使它們有利于完成產(chǎn)物量子態(tài)映射。這樣的測量，當與確定性的反應物狀態(tài)制備相結(jié)合時，將為未來的理論提供最精確的基準。盡管超冷反應的復雜性阻礙了精確的量子計算，但統(tǒng)計理論為描述其動力學特征提供了一個可行的選擇。這種理論的核心假設是，中間復合物有足夠的時間來勘察反應相空間，并在可用的運動模式中重新分配其能量，從而導致散射概率在所有允許的產(chǎn)物通道中的平等分配。這個模型已被廣泛用于預測復合物形成反應的產(chǎn)物狀態(tài)分布，并取得了合理的成功，盡管發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)性的偏差，而且常常被歸因于復合物壽命不夠長。相比之下，由于超冷反應的中間階段較長，對這些系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)查將為統(tǒng)計理論提供嚴格的測試，并允許對任何非統(tǒng)計行為進行批判性評估。此外，超冷反應中碰撞能量和分波的精確制備，為考察能量閾值附近產(chǎn)物狀態(tài)的量子效應提供了機會。今日，在哈佛大學倪康坤教授和Liu Yu（共同通訊作者）團隊帶領下，報告了2KRb→K2 + Rb2反應的全部產(chǎn)物狀態(tài)分布。反應物的超冷制備能夠完全控制它們的初始量子自由度，而對兩種產(chǎn)物的狀態(tài)解析、重合檢測使散射到57個允許的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對中的每一個的概率得以測量。結(jié)果顯示，與基于統(tǒng)計理論的狀態(tài)計數(shù)模型總體上是一致的，但同時也揭示了幾個偏離的狀態(tài)對。特別是，團隊觀察到在最接近外能極限的狀態(tài)對中，由于長程力抑制了產(chǎn)物的逃逸，產(chǎn)量受到了強烈的抑制。測量的完整性為量子動力學計算提供了一個超越當前技術水平的基準。相關成果以題為“Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry”發(fā)表在了Nature。
圖1 KRb分子之間超冷反應的能量學和產(chǎn)物量子態(tài)
圖2 反應產(chǎn)物的重合狀態(tài)檢測
圖3 測量的產(chǎn)物狀態(tài)分布和與統(tǒng)計理論的比較
圖4 在能量閾值附近長程力對產(chǎn)物形成的影響
文獻鏈接：Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-021-03459-6）
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