南科大杨学明院士团队在Science发文揭示电子角动量对化学反应微分截面的影响
南方科技大学新闻网 2021-03-01

近日,中国科学院院士、南方科技大学理学院院长、化学系讲席教授杨学明团队联合中国科学院大连化物所研究员孙志刚团队和中国科学技术大学教授王兴安课题组,详细研究了具有分波共振的F+HD反应的动力学过程,首次发现电子角动量对化学反应微分截面的影响以及基元化学反应中自旋轨道分波的量子干涉现象。研究成果以“Quantum interference between spin-orbit split partial waves in the F + HD→HF + D reaction”为题发表在《科学》(Science)杂志上。

分子反应动力学是在微观层次上研究化学反应动力学过程的学科。利用交叉分子束实验装置结果和量子分子动力学理论模拟相结合,是研究化学反应动力学过程的基本手段。近年来,杨学明和王兴安发展了交叉分子束离子成像装置,使得探测产物的分辨率提高到了产物的转动态,利用该实验装置,结合新发展的量子动力学理论分析方法,合作团队在2018年首次确认了化学反应中量子几何相位效应的存在(Science, 2018),使化学反应动力学的研究经历了从产物量子振动态分辨率到转动态分辨率的发展。而在更微观层次上研究化学反应动力学过程,例如研究电子角动量甚至原子核自旋角动量是如何影响化学反应动力学过程的,将是化学反应动力学研究的又一个标志性的进展。 

研究人员结合理论与实验,对电子自旋和轨道角动量在氟原子与氢分子的反应F+HD->HF+D中的影响进行了研究。理论方面,孙志刚团队发展了考虑电子角动量效应的量子动力学理论模拟方法,对这个独特的马蹄铁形动力学结构进行了解释。理论表明,这个动力学结构是由具有正负宇称的自旋轨道分裂的共振分波的量子干涉导致的,马蹄铁形很大程度上是自旋轨道分裂-部分波共振具有正负平衡的量子干扰的结果。经理论分析显示,这一特殊图案是源自于F原子的电子角动量效应能够将单一的分波共振可以变成具有四重精细结构的分波共振,从而改变化学反应产物的角度分布。研究团队通过实验,将交叉分子束方法、时间切片离子速度成像技术与近阈值电离技术相结合,应用高分辨的实验测量获得了产物转动量子态分辨的微分散射截面,并在微分散射截面前向散射方向观测到了一个独特的马蹄铁形结构。

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碰撞能为2.10 kcal/mol水平的F + HD → HF + D反应中的D-原子产物

这一发现为“自旋-轨道相互作用影响化学反应动力学”提供了一个典型案例。同期,Science杂志上T. Peter Rakitzis教授以“Transition states and spin-orbit structure”为题对该研究发表评述。

杨学明为论文共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等资助。

 

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6532/936 

同期评述文章:https://science.sciencemag.org/content/371/6532/886 


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