近日，我院黃嘉宇副教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王興安教授團隊和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所張兆軍研究員、張東輝院士和楊學(xué)明院士團隊合作，在氫氘分子（HD）與氫（H）原子反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)研究上取得新進展。
在量子力學(xué)中，波函數(shù)的演化通常由薛定諤方程描述。當系統(tǒng)繞著一個閉合的軌跡回到原點時，它的波函數(shù)可能會積累一個除了動力學(xué)相位之外的額外相位，這就是幾何相位。這個幾何相位是由路徑的幾何性質(zhì)（而非時間演化）引起的，因此稱為幾何相位效應(yīng)。這一效應(yīng)在多個重要凝聚態(tài)物理體系中都扮演著舉足輕重的角色。在反應(yīng)動力學(xué)領(lǐng)域，幾何相位效應(yīng)對化學(xué)反應(yīng)的具體影響也是一個長期備受關(guān)注的重要課題。
H+HD→H2+D反應(yīng)及其同位素反應(yīng)體系是化學(xué)動力學(xué)領(lǐng)域的重要基準體系。這一系列反應(yīng)的電子基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在典型的錐形交叉，因此一直是研究化學(xué)反應(yīng)中幾何相位效應(yīng)的模型體系。此前的研究發(fā)現(xiàn)，H+HD反應(yīng)體系具備兩個迥然不同的反應(yīng)路徑：其中一個對應(yīng)著直接反應(yīng)路徑，另一個則對應(yīng)著類似于漫游反應(yīng)的非直接反應(yīng)路徑。錐形交叉的存在使得這兩個路徑之間的量子干涉相位會受到幾何相位的調(diào)控，導(dǎo)致即使在反應(yīng)總能量遠低于錐形交叉發(fā)生的能量時，該體系的反應(yīng)動力學(xué)過程中仍然可能存在顯著的幾何相位效應(yīng)。
在本次工作中，理論和實驗團隊緊密合作，在1.72eV的碰撞能量條件下對H+HD (v=0, j=0)→D+H2這一反應(yīng)進行了深入研究。通過結(jié)合速度圖成像和近閾值電離技術(shù)，實驗團隊成功獲取了高分辨率的產(chǎn)物量子態(tài)分辨數(shù)據(jù)，并在特定振轉(zhuǎn)態(tài)的微分截面中觀測到了明顯的向后散射方向上的角度振蕩。精確的量子動力學(xué)計算表明這些精細的后向角度振蕩結(jié)構(gòu)是幾何相位效應(yīng)的一種表現(xiàn)形式。進一步的理論分析表明，這些后向散射振蕩主要是由兩組不同的分波貢獻的，它們分別沿著直接反應(yīng)路徑和漫游路徑進行。這一發(fā)現(xiàn)是在碰撞能低于錐形交叉點能量0.81eV的實驗條件下獲得的，揭示了幾何相位效應(yīng)在量子反應(yīng)動力學(xué)中的重要影響。
論文在首輪審稿中獲得了三位審稿人的一致高度評價，被審稿人譽為應(yīng)該“裝幀并放入教科書里”（“framed and put in textbooks”）的工作，被《自然-通訊》（Nat. Commun.）雜志直接接受。黃嘉宇副教授是文章的共同第一作者。本研究得到了科技部科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
