Schemat visar kvasibundet kvantresonanstillstånd i postbarriärområdet, som är ansvarig för den ökade reaktiviteten i F+H 2 till HF+H-reaktion vid temperatur nära absolut noll. Kredit:DICP
Nyligen, Prof. Yang Xueming från Dalian Institute of Chemical Physics vid den kinesiska vetenskapsakademin och Prof. Yang Tiangang från Southern University of Science and Technology diskuterade betydande framsteg i studiet av kvantresonanser i atomära och molekylära kollisioner vid nära absolut nolltemperatur. Deras artikel publicerades i Vetenskap den 7 maj.
Kvantmekanikens regler styr alla atomära och molekylära kollisionsprocesser. Att förstå kvantnaturen hos atomära och molekylära kollisioner är avgörande för att förstå energiöverföring och kemiska reaktionsprocesser, speciellt i regionen med låg kollisionsenergi, där kvanteffekten är mest framträdande.
En anmärkningsvärd egenskap hos kvantnaturen vid atomär och molekylär kollision är kvantspridningsresonanser, men att undersöka dem experimentellt har varit en stor utmaning på grund av den övergående naturen hos dessa resonanser.
Den här artikeln introducerade en kvantresonansstudie publicerad i samma nummer av Vetenskap av en forskargrupp från universitetet i Nijmegen. Genom att använda Stark retarderade molekylstråle av NO(j=1/2 f ) och en kryogen heliumstråle kombinerad med högupplöst hastighetskartavbildningsteknik, De Jongh och medarbetare observerade resonanser i NO+He oelastiska kollisioner vid temperaturintervallet 0,3 till 12,3 K.
Noggranna kvantdynamikberäkningar stämmer utmärkt överens med experimentella resultat. Särskilt intressant är att resonanserna endast kan beskrivas exakt med en ny NO-He potentiell energiyta (PES) på CCSDT(Q)-nivån, demonstrerar den exceptionellt höga noggrannheten hos resonansbilden som utvecklats för detta benchmark oelastiska kollisionssystem.
Förutom oelastiska spridningsprocesser, resonanser i kemiska reaktiva kollisioner i lågkollisionsenergiregimen har diskuterats. Ett viktigt benchmarksystem för reaktionsresonanser, diskuteras i artikeln, är F+H 2 till HF+H-reaktion, som är en viktig källa till HF-bildning i interstellära moln (ISC).
F+H 2 reaktionen är känd för att ha en signifikant reaktionsbarriär (629 cm -1 ), därför bör dess reaktivitet vara försumbar vid temperaturen nära absolut noll. Att förstå HF-bildningsmekanismen genom denna reaktion vid de kalla temperaturerna är viktigt, som kan hjälpa till att bestämma vätgaskolonnens täthet i rymden.
Med den förbättrade molekylära korsade strålapparaten, F-reaktionen och H 2 har studerats så lågt som 14 K (9,8 cm -1 ) vid State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, DICP. En tydlig resonanstopp vid kollisionsenergin på ~40 cm -1 har upptäckts, som är ansvarig för den förbättrade reaktiviteten nära absolut nolltemperatur från den detaljerade dynamikanalysen på en exakt PES. På grund av den resonansförstärkta kvanttunneleringen, denna reaktion bör ha ovanligt hög reaktivitet vid temperaturer under 1 K.
Ytterligare teoretisk analys visade att om bidraget från den resonansförstärkta tunnlingen togs bort från reaktiviteten, reaktionshastighetskonstanten för F + H 2 under 10 K skulle reduceras mer än tre storleksordningar.
I den här artikeln, författarna påpekade att stark interaktion mellan experiment och teori har varit avgörande i studiet av transienta kollisionsresonanser. Dynamikstudierna i atomära och molekylära kollisioner är särskilt viktiga för att förstå energiöverföring och kemiska reaktionsprocesser som kan ha stor inverkan på komplicerade system, såsom jord- och planetatmosfärer, interstellära moln, gasfaslasrar, halvledarbearbetning, plasma, och förbränningsprocesser.
