Kvantresonanser nær absolut nul

For nylig, Prof. Yang Xueming fra Dalian Institute of Chemical Physics fra det kinesiske videnskabsakademi og prof. Yang Tiangang fra det sydlige universitet for videnskab og teknologi diskuterede betydelige fremskridt i undersøgelsen af ​​kvanteresonanser i atom- og molekylære kollisioner ved næsten absolut nul temperatur. Deres artikel blev offentliggjort i Videnskab den 7. maj.

Reglerne for kvantemekanik styrer alle atomiske og molekylære kollisionsprocesser. At forstå kvantekarakteren af ​​atom- og molekylære kollisioner er afgørende for at forstå energioverførsel og kemiske reaktionsprocesser, især i lavkollisionenergiområdet, hvor kvanteeffekten er den mest fremtrædende.

Et bemærkelsesværdigt træk ved kvante -naturen ved atom- og molekylær kollision er kvantespredningsresonanser, men at undersøge dem eksperimentelt har været en stor udfordring på grund af disse resonansers forbigående karakter.

Denne artikel introducerede en kvanteresonansundersøgelse offentliggjort i samme nummer af Videnskab af en forskergruppe fra University of Nijmegen. Ved at bruge Stark decelereret molekylær stråle af NO (j =1/2 f ) og en kryogen heliumstråle kombineret med højopløsningshastighedskortafbildningsteknik, De Jongh og kolleger observerede resonanser i NO+He uelastiske kollisioner ved temperaturområdet 0,3 til 12,3 K.

Nøjagtige kvantedynamikberegninger er i god overensstemmelse med eksperimentelle resultater. Særligt interessant er, at resonanserne kun kan beskrives nøjagtigt ved hjælp af en ny NO-He potentiel energioverflade (PES) på CCSDT (Q) -niveau, demonstrerer den usædvanligt høje nøjagtighed af resonansbilledet udviklet til dette benchmark uelastiske kollisionssystem.

Ud over uelastiske spredningsprocesser, resonanser ved kemisk reaktive kollisioner i energiregimet med lav kollision er blevet diskuteret. Et vigtigt benchmark -system for reaktionsresonanser, diskuteret i artiklen, er F+H ₂ til HF+H -reaktion, som er en vigtig kilde til HF -dannelse i interstellare skyer (ISC).

F+H ₂ reaktion er kendt for at have en signifikant reaktionsbarriere (629 cm ^-1 ), derfor bør dens reaktivitet være ubetydelig ved temperaturen nær absolut nul. Det er vigtigt at forstå HF -dannelsesmekanismen gennem denne reaktion ved de kolde temperaturer, som kan hjælpe med at bestemme brintsøjletæthed i rummet.

Med det forbedrede molekylære krydsstråleapparat, F -reaktionen og H ₂ er blevet undersøgt så lavt som 14 K (9,8 cm ^-1 ) på State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, DICP. En klar resonansspids ved kollisionsenergien på ~ 40 cm ^-1 er blevet opdaget, som findes ansvarlig for den forbedrede reaktivitet nær absolut nul temperatur fra den detaljerede dynamiske analyse på en nøjagtig PES. På grund af resonansforbedret kvantetunneling, denne reaktion bør have usædvanlig høj reaktivitet ved temperaturer under 1 K.

Yderligere teoretisk analyse indikerede, at hvis bidraget fra den resonansforbedrede tunnel blev fjernet fra reaktiviteten, reaktionshastighedskonstanten på F + H ₂ under 10 K ville blive reduceret mere end tre størrelsesordener.

I denne artikel, forfatterne påpegede, at stærk interaktion mellem eksperiment og teori har været afgørende i undersøgelsen af ​​forbigående kollisionsresonanser. Dynamikundersøgelserne i atom- og molekylære kollisioner er især vigtige for at forstå energioverførsel og kemiske reaktionsprocesser, der kan have stor indflydelse på komplicerede systemer, såsom terrestrisk og planetarisk atmosfære, interstellare skyer, gasfaselasere, halvlederbehandling, plasmaer, og forbrændingsprocesser.