到目前為止，進展僅限于弱結(jié)合系統(tǒng)，這就需要一種全面的方法來檢測反應(yīng)產(chǎn)物的量子態(tài)信息。超低溫反應(yīng)給目前的反應(yīng)動力學理論帶來了挑戰(zhàn)，并能在其發(fā)展的下一階段發(fā)揮關(guān)鍵作用。
在最基本的層面上，化學反應(yīng)是反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為生成物的量子力學過程。因此，一個反應(yīng)的完整表征需要反應(yīng)物和生成物的量子態(tài)解析。在過去的十年中，超冷分子已經(jīng)成為一個強大的平臺，可以實現(xiàn)對反應(yīng)物的各種內(nèi)部自由度的完全控制。此外，超冷分子之間的碰撞是以單一的最低允許的分波（s-或p-波）發(fā)生的。利用這些高度控制的分子，對整體反應(yīng)速率的研究以前所未有的分辨率揭示了長程力和散射共振的影響。然而，對這些超冷反應(yīng)在狀態(tài)與狀態(tài)之間的完整表征仍然具有挑戰(zhàn)性，到目前為止，進展僅限于弱結(jié)合系統(tǒng)，這就需要一種全面的方法來檢測反應(yīng)產(chǎn)物的量子態(tài)信息。超低溫反應(yīng)給目前的反應(yīng)動力學理論帶來了挑戰(zhàn)，并能在其發(fā)展的下一階段發(fā)揮關(guān)鍵作用。一方面，在超低溫度下制備反應(yīng)物可以在僅涉及三或四個原子的反應(yīng)中引起高度復雜的動力學。另一方面，這些系統(tǒng)的小尺寸使它們有利于完成產(chǎn)物量子態(tài)映射。這樣的測量，當與確定性的反應(yīng)物狀態(tài)制備相結(jié)合時，將為未來的理論提供最精確的基準。盡管超冷反應(yīng)的復雜性阻礙了精確的量子計算，但統(tǒng)計理論為描述其動力學特征提供了一個可行的選擇。這種理論的核心假設(shè)是，中間復合物有足夠的時間來勘察反應(yīng)相空間，并在可用的運動模式中重新分配其能量，從而導致散射概率在所有允許的產(chǎn)物通道中的平等分配。這個模型已被廣泛用于預(yù)測復合物形成反應(yīng)的產(chǎn)物狀態(tài)分布，并取得了合理的成功，盡管發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)性的偏差，而且常常被歸因于復合物壽命不夠長。相比之下，由于超冷反應(yīng)的中間階段較長，對這些系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)查將為統(tǒng)計理論提供嚴格的測試，并允許對任何非統(tǒng)計行為進行批判性評估。此外，超冷反應(yīng)中碰撞能量和分波的精確制備，為考察能量閾值附近產(chǎn)物狀態(tài)的量子效應(yīng)提供了機會。今日，在哈佛大學倪康坤教授和Liu Yu（共同通訊作者）團隊帶領(lǐng)下，報告了2KRb→K2 + Rb2反應(yīng)的全部產(chǎn)物狀態(tài)分布。反應(yīng)物的超冷制備能夠完全控制它們的初始量子自由度，而對兩種產(chǎn)物的狀態(tài)解析、重合檢測使散射到57個允許的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對中的每一個的概率得以測量。結(jié)果顯示，與基于統(tǒng)計理論的狀態(tài)計數(shù)模型總體上是一致的，但同時也揭示了幾個偏離的狀態(tài)對。特別是，團隊觀察到在最接近外能極限的狀態(tài)對中，由于長程力抑制了產(chǎn)物的逃逸，產(chǎn)量受到了強烈的抑制。測量的完整性為量子動力學計算提供了一個超越當前技術(shù)水平的基準。相關(guān)成果以題為“Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry”發(fā)表在了Nature。
圖1 KRb分子之間超冷反應(yīng)的能量學和產(chǎn)物量子態(tài)
圖2 反應(yīng)產(chǎn)物的重合狀態(tài)檢測
圖3 測量的產(chǎn)物狀態(tài)分布和與統(tǒng)計理論的比較
圖4 在能量閾值附近長程力對產(chǎn)物形成的影響
文獻鏈接：Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-021-03459-6）
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