Forskere får første kig på geometrisk faseeffekt i en kemisk reaktion

I den simpleste kemiske reaktion i naturen, der eksisterer et velkendt konisk skæringspunkt mellem jorden og den første exciterede tilstand. Derfor, H+H ₂ reaktion og dens isotopiske varianter har længe været benchmark-systemet i studiet af den geometriske fase (GP) effekt i kemiske reaktioner.

Tidligere, der blev gjort en indsats for at observere og forstå GP-effekten i H + H ₂ reaktion. Imidlertid, ingen overbevisende eksperimentelle beviser for GP-effekten i nogen kemisk reaktion er indtil nu blevet påvist.

For nylig, forskere fra University of Science and Technology i Kina og Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) fra det kinesiske videnskabsakademi udførte en kombineret eksperimentel og teoretisk undersøgelse af H + HD til H ₂ + D reaktion.

Forsøgsholdet, som blev ledet af prof. Wang Xingan og prof. Yang Xueming, udførte en undersøgelse af krydsede molekyler med ion-billeddannelsesteknikken med høj opløsningshastighed. Hurtige fremadspredende svingninger af H ₂ (v', j') produkter blev observeret i differentielle tværsnit ved en kollisionsenergi i nærheden af ​​H ₃ konisk skæring.

Prof. Sun Zhigang udviklede en unik kvanteteoretisk tilgang til at overveje GP-effekten i en kemisk reaktion. Baseret på en nyudviklet nøjagtig potentiel energioverflade af prof. Zhang Donghui, forskerne fandt ud af, at de eksperimentelt observerede oscillationsstrukturer i de fremadrettede spredninger kun kunne reproduceres ved teoretiske beregninger inklusive den geometriske faseeffekt.

Gennem denne undersøgelse, en ny reaktionsmekanisme er også blevet opdaget for denne benchmark-reaktion ved høj kollision. Denne undersøgelse besvarede klart et langvarigt spørgsmål inden for kemisk reaktionsdynamik, dvs. hvordan GP-effekten i høj grad påvirker kemisk reaktivitet. Undersøgelsen har helt sikkert vigtige implikationer for dynamikstudier af molekylære systemer med koniske skæringspunkter generelt.

Denne forskning, med titlen "Observation af den geometriske faseeffekt i H + HD til H ₂ + D reaktion, " blev offentliggjort i Videnskab .

Born-Oppenheimer-tilnærmelsen (BOA) er grundlaget for forståelsen af ​​molekylære systemers kvantenatur og fører til udviklingen af ​​vigtige begreber såsom elektroniske tilstande og molekylære baner. I et molekyle, ikke-adiabatiske interaktioner mellem elektroniske tilstande er allestedsnærværende. Imidlertid, på grund af den komplicerede natur af ikke-adiabatiske koblinger, molekylære systemer behandles ofte uden hensyntagen til ikke-adiabatiske koblinger og effekten af ​​exciterede tilstande.

Imidlertid, ved tilstedeværelse af koniske interaktioner i molekylære systemer, sådanne tilnærmelser kunne bryde sammen. For et halvt århundrede siden, videnskabsmænd fandt ud af, at ved at indføre en geometrisk fase, man kunne korrekt behandle disse systemer kvantemekanisk. Introduktion af en GP-effekt, imidlertid, kunne have en dybtgående effekt på kvantesystemerne. For eksempel, en af ​​kvante Hall-effekterne er resultatet af en elektronisk geometrisk faseeffekt. Derfor, effekten af ​​den geometriske fase er et grundlæggende spørgsmål i både fysik og kemi.