科学家发现最简单化学反应中奇特量子干涉现象(2)

物理学中，干涉是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。在著名的杨氏双狭缝干涉实验中，当一束光透过两个并排的狭缝后，在后面的挡板上会出现明暗相间的现象：最亮的地方光强超过了原来两束光的光强之和，而最暗的地方光强有可能为零，这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。

光子、电子、原子、分子等粒子，在其运动过程中，遵循量子力学原理，具有波粒二象性。因此，经过不同运动途径达到同一区域或量子态的粒子，会像光的传播一样发生干涉效应。

化学反应的发生，本质上是微观粒子的碰撞，并伴随化学键的断裂和生成。因此在化学反应中，量子现象是普遍存在的。但是，想要准确理解这些量子现象产生的根源非常困难，因为量子现象很容易被掩盖，而且实验上也难以精确分辨这些量子现象的特征。

“解决复杂问题经常从简单模型入手。在自然界所有化学反应中，氢原子加氢分子（H+H2）及其同位素（H+HD）的反应是最简单的。该体系只涉及三个电子，因此能够精确计算出这三个原子在不同构型时的相互作用力。”孙志刚说，在此基础上，通过求解薛定谔方程，就能够实现分子反应动力学过程的计算机模拟，从而能够在微观层次上深入理解化学反应过程。

科学家们基于对这个简单的化学反应的动力学研究，积累了丰富的理论化学知识。但由于化学反应进程的复杂性，人们仍在不断的深入相关的研究，以便加深对于化学反应过程的认识。

捕捉反应中的“蛛丝马迹”

基于前期的研究，团队成员通过理论模拟发现，在特定散射角度上，H+HD反应生成的产物H2（氢分子）的多少会随碰撞能而呈现特别有规律的振荡。类似的振荡现象，在不少反应的理论计算结果中出现过，但是那些振荡都没有像H+H2反应这么有规律。而且，迄今为止，对于这样的现象，科学家们并没有一个清晰的解释。

针对这个振荡现象，大连化物所开展了理论结合实验的详细研究。“理论上，进一步发展了量子反应散射理论，创造性地发展了利用拓扑学原理来分析化学反应发生途径的方法。实验上，通过改进了的交叉分子束装置，实现了在较高碰撞能处对后向散射信号的精确测量。”肖春雷说。

拓扑学分析表明，这些后向散射的振荡实际上是由两条反应途径的干涉造成的。这两条反应途径对于后向散射均有显著贡献，但它们各自的幅度随着碰撞能变化并无显著变化，呈现出一条比较光滑的曲线。而它们的相位随着碰撞能变化，一个呈线性增加，另外一个呈线性减小，因此，相互干涉的结果就呈现了强烈的有规律的振荡现象。

研究人员进一步采用经典轨线理论进行分析，结果表明，其中一条反应途径对应于我们所熟知的直接反应过程： H碰撞后直接“拐”走了HD中的H原子。而另外一条反应途径对应于一条称为“漫游机理”的反应过程：H与HD开始碰撞，“漫游”之后插入到了HD中间，才把HD中的H原子“拐”走。这是一种非常奇特的反应通道。

“这两条不同类型的反应途径所产生的氢分子，在特定的散射角度汇合并产生干涉，导致反应产物氢分子产生了有规律的振荡。”孙志刚表示。尤其有趣的是，在所研究的碰撞能范围，通过漫游插入机理而发生的反应只占全部反应性的很小一部分（0.3%）。而如此微弱的反应通道却能够与主要反应通道之间呈现清晰而奇特的量子干涉效应。