中國(guó)科學(xué)家首次觀測(cè)到化學(xué)反應(yīng)中的“幾何相位”效應(yīng)（央廣網(wǎng)發(fā) 大連化物所供圖）

央廣網(wǎng)大連12月14日消息（記者賈鐵生）記者從中科院大連化物所獲悉,，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王興安教授,，中科院大連化物所孫志剛研究員,、張東輝院士,、楊學(xué)明院士等人，利用自主發(fā)展的具有國(guó)際上最高分辨率的交叉分子束離子成像裝置,，結(jié)合高精度量子分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論分析,，對(duì)氫原子和氫氘分子反應(yīng)中的“幾何相位”效應(yīng)展開深入研究并取得重大突破,。研究成果于12月14日在線發(fā)表在國(guó)際著名期刊《科學(xué)》雜志上。

在實(shí)驗(yàn)上,，王興安和楊學(xué)明等人自主研制了一臺(tái)獨(dú)特的結(jié)合閾值激光電離技術(shù)，以及離子速度成像技術(shù)的交叉分子束反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究裝置,，使得實(shí)驗(yàn)上獲得的氫原子產(chǎn)物的散射角度分辨率達(dá)到了世界上同類儀器的最高水平,。利用這一裝置,，研究小組成功地測(cè)得了氫原子+氫氘分子→氫氣+氘原子反應(yīng)的全量子態(tài)分辨產(chǎn)物速度影像，在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)分辨的氫氣產(chǎn)物前向角分布快速振蕩結(jié)構(gòu),。在理論計(jì)算上,，孫志剛等人發(fā)展了獨(dú)特的描述化學(xué)反應(yīng)中幾何效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)理論,，并基于張東輝等人發(fā)展的高精度的勢(shì)能面，通過精確量子動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),，只有引入“幾何相位”效應(yīng)的理論計(jì)算才能正確地描述實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的前向散射振蕩結(jié)構(gòu)。該進(jìn)展是科學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算的又一次“完美結(jié)合”，用交叉分子束和量子化學(xué)方法首次定量了化學(xué)反應(yīng)中的“幾何相位”作用,，把化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)“不可能”變成了“可能”,！

該項(xiàng)研究揭示了“幾何相位”在化學(xué)反應(yīng)中獨(dú)特的作用以及“幾何相位”效應(yīng)的物理本質(zhì),，對(duì)于研究廣泛存在錐型交叉的量子體系具有重要意義。同時(shí),，通過這項(xiàng)研究,，科學(xué)家們還在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了這一重要反應(yīng)體系在高能反應(yīng)時(shí)一個(gè)全新的反應(yīng)機(jī)理,，這對(duì)于從根本上理解這一重要體系的高能反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具有重要意義,。

1927年波恩－奧本海默近似是研究分子等量子體系最為重要的基石。在這一近似下量子動(dòng)力學(xué)研究一般忽略非絕熱相互作用且只考慮最低的絕熱能電子態(tài),。但是,，當(dāng)量子體系存在錐形交叉如狄拉克錐時(shí)，波恩－奧本海默近似在處理這些量子體系時(shí)就可能失效,。半個(gè)多世紀(jì)以前,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(zhǔn)確描述這些體系的量子動(dòng)力學(xué)行為,。而引入“幾何相位”對(duì)于量子體系的動(dòng)力學(xué)行為會(huì)產(chǎn)生明顯的效應(yīng),，這就是眾所周知的“幾何相位”效應(yīng)?！皫缀蜗辔弧毙?yīng)在很多重要物理體系中存在,，如眾所周知的量子霍爾效應(yīng)中的一種重要的情況就是由于電子的“幾何相位”效應(yīng)所導(dǎo)致的。

“幾何相位”效應(yīng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響也是理論和物理化學(xué)領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期備受關(guān)注的重要科學(xué)問題,。在最簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)體系氫原子+氫氣中，電子基態(tài)和第一電子激發(fā)態(tài)勢(shì)能面之間存在典型的錐形交叉。由于該體系只包含三個(gè)原子,，可以采用目前的計(jì)算方法和計(jì)算資源,，在理論上對(duì)其進(jìn)行精確的描述,。因此,，氫原子+氫氣反應(yīng)及其同位素取代反應(yīng)一直是用來研究“幾何相位”效應(yīng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響的模型體系。在過去的幾十年間,，許多國(guó)際上著名的科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究工作。然而,，由于實(shí)驗(yàn)和理論上存在的巨大挑戰(zhàn),，該問題一直以來沒有得到令人信服的結(jié)論,。

該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委動(dòng)態(tài)化學(xué)前沿研究中心項(xiàng)目,、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目和科技部有關(guān)項(xiàng)目的大力支持。