我國科學家觀測到化學反應中的“幾何相位”效應
近日，由中國科學技術大學王興安教授，中科院大連化物所孫志剛研究員、張東輝院士、楊學明院士等人，利用自主發展的具有國際上最高分辨率的交叉分子束離子成像裝置，結合高精度量子分子反應動力學理論分析，對H+HD反應中的“幾何相位”效應展開深入研究并取得重大突破。研究成果于12月14日以“Observation of the geometric phase effect in the H+HD→H2+D reaction”為題在線發表在國際著名期刊《科學》（Science）雜志上。
在實驗上，王興安和楊學明等人自主研制了一臺獨特的結合閾值激光電離技術，以及離子速度成像技術的交叉分子束反應動力學研究裝置，使得實驗上獲得的氫原子產物的散射角度分辨率達到了世界上同類儀器的最高水平。利用這一裝置，研究小組成功地測得了H+HD→H2+D反應的全量子態分辨產物速度影像，在實驗上觀測到了轉動態分辨的H2產物前向角分布快速振蕩結構。在理論計算上，孫志剛等人發展了獨特的描述化學反應中幾何效應的動力學理論，并基于張東輝等人發展的高精度的勢能面，通過精確量子動力學分析發現，只有引入“幾何相位”效應的理論計算才能正確地描述實驗觀測到的前向散射振蕩結構。
本項課題的研究進展是科學實驗與理論計算的又一次“完美結合”，用交叉分子束和量子化學方法首次定量了化學反應中的“幾何相位”作用，把化學動力學中的一個“不可能”變成了“可能”。
“幾何相位”效應對化學反應的影響也是理論和物理化學領域一個長期備受關注的重要科學問題。半個多世紀以前，科學家發現在波恩－奧本海默近似或絕熱近似下，必須引入“幾何相位”(Geometric Phase)才能在絕熱近似下準確描述這些體系的量子動力學行為。而引入“幾何相位”對于量子體系的動力學的干涉行為產生改變，這就是眾所周知的“幾何相位”效應。
科研人員在研究中揭示了“幾何相位”在化學反應中獨特的作用以及“幾何相位”效應的物理本質，對于研究廣泛存在錐型交叉的量子體系具有重要意義。同時，科學家們還在實驗上發現和證實了這一重要反應體系在高能反應時一個全新的反應機理，這對于從根本上理解這一重要體系的高能反應動力學具有重要意義。
DOI: 10.1126/science.aav1356
