科学家率先观测到化学反应中的“几何相位”效应

记者从中国科大获悉，该校王兴安教授与中科院大连化学物理研究所孙志刚研究员等合作，利用自主发展的国际上最高角度分辨率的交叉分子束离子成像装置，对H+HD反应中的“几何相位”效应展开深入研究并取得重大突破。研究成果于近日在线发表在国际期刊《科学》上。

“几何相位”效应对化学反应的影响是理论和物理化学领域一个长期备受关注的重要科学问题。然而，由于实验和理论上存在的巨大挑战，该问题一直以来没有得到令人信服的结论。波恩-奥本海默近似是研究分子等量子体系最为重要的基石，半个多世纪以前，科学家发现在波恩-奥本海默近似或绝热近似下，必须引入“几何相位”才能在绝热近似下准确描述这些体系的量子动力学行为。“几何相位”效应在很多重要物理体系中存在，如量子霍尔效应等。

科研人员自主研制了一台独特的结合阈值激光电离技术以及离子速度成像技术的交叉分子束反应动力学研究装置。利用这一装置，研究小组成功地测得了H+HD→H2+D反应的全量子态分辨产物速度影像，在实验上观测到了转动态分辨的H2产物前向角分布快速振荡结构。通过精确量子动力学分析发现，只有引入“几何相位”效应的理论计算才能正确地描述实验观测到的前向散射振荡结构。

这项研究揭示了“几何相位”在化学反应中独特的作用以及“几何相位”效应的物理本质，对于研究广泛存在锥型交叉的量子体系具有重要意义。同时，研究还在实验上发现和证实了这一重要反应体系在高能反应时一个全新的反应机理，对于从根本上理解这一重要体系的高能反应动力学具有重要意义。