到目前為止，進(jìn)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(cè)反應(yīng)產(chǎn)物的量子態(tài)信息。超低溫反應(yīng)給目前的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論帶來了挑戰(zhàn)，并能在其發(fā)展的下一階段發(fā)揮關(guān)鍵作用。
在最基本的層面上，化學(xué)反應(yīng)是反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為生成物的量子力學(xué)過程。因此，一個(gè)反應(yīng)的完整表征需要反應(yīng)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(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)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(duì)整體反應(yīng)速率的研究以前所未有的分辨率揭示了長(zhǎng)程力和散射共振的影響。然而，對(duì)這些超冷反應(yīng)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(jìn)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(cè)反應(yīng)產(chǎn)物的量子態(tài)信息。超低溫反應(yīng)給目前的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論帶來了挑戰(zhàn)，并能在其發(fā)展的下一階段發(fā)揮關(guān)鍵作用。一方面，在超低溫度下制備反應(yīng)物可以在僅涉及三或四個(gè)原子的反應(yīng)中引起高度復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)。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(cè)量，當(dāng)與確定性的反應(yīng)物狀態(tài)制備相結(jié)合時(shí)，將為未來的理論提供最精確的基準(zhǔn)。盡管超冷反應(yīng)的復(fù)雜性阻礙了精確的量子計(jì)算，但統(tǒng)計(jì)理論為描述其動(dòng)力學(xué)特征提供了一個(gè)可行的選擇。這種理論的核心假設(shè)是，中間復(fù)合物有足夠的時(shí)間來勘察反應(yīng)相空間，并在可用的運(yùn)動(dòng)模式中重新分配其能量，從而導(dǎo)致散射概率在所有允許的產(chǎn)物通道中的平等分配。這個(gè)模型已被廣泛用于預(yù)測(cè)復(fù)合物形成反應(yīng)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(fù)合物壽命不夠長(zhǎng)。相比之下，由于超冷反應(yīng)的中間階段較長(zhǎng)，對(duì)這些系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)查將為統(tǒng)計(jì)理論提供嚴(yán)格的測(cè)試，并允許對(duì)任何非統(tǒng)計(jì)行為進(jìn)行批判性評(píng)估。此外，超冷反應(yīng)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(yīng)提供了機(jī)會(huì)。今日，在哈佛大學(xué)倪康坤教授和Liu Yu（共同通訊作者）團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)下，報(bào)告了2KRb→K2 + Rb2反應(yīng)的全部產(chǎn)物狀態(tài)分布。反應(yīng)物的超冷制備能夠完全控制它們的初始量子自由度，而對(duì)兩種產(chǎn)物的狀態(tài)解析、重合檢測(cè)使散射到57個(gè)允許的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)中的每一個(gè)的概率得以測(cè)量。結(jié)果顯示，與基于統(tǒng)計(jì)理論的狀態(tài)計(jì)數(shù)模型總體上是一致的，但同時(shí)也揭示了幾個(gè)偏離的狀態(tài)對(duì)。特別是，團(tuán)隊(duì)觀察到在最接近外能極限的狀態(tài)對(duì)中，由于長(zhǎng)程力抑制了產(chǎn)物的逃逸，產(chǎn)量受到了強(qiáng)烈的抑制。測(cè)量的完整性為量子動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供了一個(gè)超越當(dāng)前技術(shù)水平的基準(zhǔn)。相關(guān)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(yīng)的能量學(xué)和產(chǎn)物量子態(tài)
圖2 反應(yīng)產(chǎn)物的重合狀態(tài)檢測(cè)
圖3 測(cè)量的產(chǎn)物狀態(tài)分布和與統(tǒng)計(jì)理論的比較
圖4 在能量閾值附近長(zhǎng)程力對(duì)產(chǎn)物形成的影響
文獻(xiàn)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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