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5月8日，南方科技大學理學院院長、化學系講席教授、中國科學院院士楊學明和化學系助理教授楊天罡應(yīng)邀在《科學》雜志（Science）發(fā)表評述文章“Quantum resonances near absolute zero”，討論趨近絕對零度的原子與分子碰撞過程中量子散射共振研究的進展。楊天罡為文章第一作者，楊學明為文章通訊作者，南科大為第一通訊單位。

原子與分子的碰撞傳能以及化學反應(yīng)過程受量子力學的規(guī)則控制。理解量子效應(yīng)在原子與分子碰撞中的作用是理解能量傳遞以及化學反應(yīng)過程的根本。而量子效應(yīng)在低溫下能夠更好保存，因此低溫條件對碰撞結(jié)果的影響會更加顯著。量子散射共振給實驗提供了一種觀測碰撞過程中量子效應(yīng)的方法，但由于其壽命很短，實驗觀測的挑戰(zhàn)巨大。

評述文章詳細介紹了同期《科學》雜志發(fā)表的關(guān)于極低溫量子散射共振的研究工作。通過利用斯塔克減速技術(shù)產(chǎn)生的NO(j=1/2f) 束源和冷He束源結(jié)合高分辨的速度成像技術(shù)，荷蘭科學家實現(xiàn)了碰撞能0.3 ~ 12.3 K下NO+He體系的高分辨非彈性散射動力學研究，并觀測到了多個共振現(xiàn)象。更有意思的是，這個實驗結(jié)果只能用CCSDT(Q)下發(fā)展的一個最新的精確勢能面上的計算來描述，也表明了在此非彈性散射系統(tǒng)中，實驗中觀測到的量子散射共振圖像可以精確測試量子計算結(jié)果，幫助理解量子效應(yīng)在原子分子碰撞能量傳遞中的作用。

評述文章還介紹了一個趨近絕對零度量子散射共振在化學反應(yīng)中發(fā)揮重要作用的例子。F+H2→HF+H 反應(yīng)是星際化學中產(chǎn)生HF分子的重要過程。但是F+H2反應(yīng)具有1.8 kcal/mol高度的勢壘（629 cm-1），經(jīng)典模型下在接近絕對零度時這個反應(yīng)幾率是完全可以忽略的。2019年，大連化物所研究團隊通過利用H原子里德堡態(tài)標示時間飛渡譜技術(shù)，觀測到了反應(yīng)溫度低至14 K（9.8 cm-1）時此反應(yīng)仍然發(fā)生的證據(jù)，同時觀測到了約 40 cm-1碰撞能的一個反應(yīng)共振峰。進一步理論分析表明，F(xiàn)+H2在低溫時的反應(yīng)性，是通過反應(yīng)共振態(tài)所增強的隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生的，而不是通常簡單的隧穿效應(yīng)，這也是在接近絕對零度下此反應(yīng)仍然可以發(fā)生的原因。如果將共振態(tài)所導致的共振增強效應(yīng)移除，F(xiàn)+H2（v=0，j=0）在10K溫度以下的反應(yīng)速率常數(shù)，會降低三個數(shù)量級以上。

圖1.  F+H2→HF+H反應(yīng)過程中超冷化學反應(yīng)共振的物理圖像

文章最后指出，趨近絕對零度量子共振的研究進展得益于新的分子束方法以及新的探測技術(shù)的發(fā)展，精確的理論和實驗之間的互動推動這一領(lǐng)域的發(fā)展。量子散射共振研究有助于更加深刻理解氣相碰撞中的傳能以及反應(yīng)過程，對于理解復雜體系如星際化學，大氣以及燃燒等過程也具有重要意義。

楊學明主要從事氣相及表面化學動力學研究，發(fā)表300余篇論文，其中Science 12篇，Nature 1篇，研究成果兩次入選中國十大科技進展新聞?，F(xiàn)任國家自然科學基金委化學部主任，中國化學會第三十屆理事會副理事長，美國科學促進會Science Advances副主編、美國化學會Journal of Physical Chemistry A/B/C高級編輯、Chinese Journal of Chemical Physics主編，以及Chemical Society Reviews等雜志的編委。

楊天罡研究方向為基元化學反應(yīng)的微觀機理、冷分子反應(yīng)動力學、量子調(diào)控與精密測量。從事研究工作以來，緊密圍繞反應(yīng)共振態(tài)在化學反應(yīng)中的作用、量子隧穿效應(yīng)在低溫星際化學中的應(yīng)用以及低溫離子分子反應(yīng)動力學開展系列工作，相關(guān)成果多次在Science、Nat. Chem.、J. Phys. Chem. Lett. 等國際權(quán)威期刊上發(fā)表。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/368/6491/582

楊學明個人主頁：http://faculty.sustech.edu.cn/yangxm/

楊天罡個人主頁：http://faculty.sustech.edu.cn/yangtg/

參考文獻：

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/626

https://www.nature.com/articles/s41557-019-0280-3