日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事趙博、陳宇翱等在超冷分子和超冷化學(xué)量子模擬研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們首次在實驗上直接觀測到超低溫度下弱束縛分子與自由原子間發(fā)生的態(tài)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)了可控態(tài)態(tài)反應(yīng)動力學(xué)的探測，從而向基于超冷分子的超冷量子化學(xué)的研究邁進(jìn)了重要一步。7月4日，這一重要研究成果以研究長文的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·物理學(xué)》上[Nature Physics 13, 699?703 (2017)]。

　　據(jù)了解，量子計算和模擬具有強大的并行計算和模擬能力，不僅為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案，也可有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律，為新能源開發(fā)、新材料設(shè)計等提供指導(dǎo)。對化學(xué)反應(yīng)和材料進(jìn)行建模是量子計算最先可能的應(yīng)用之一。借助量子模擬，研究者可以在人工可控的環(huán)境中研究數(shù)百萬計的候選，大幅減少在真實材料中開展試驗而投入的時間和資金。如同諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、麻省理工學(xué)院的Frank Wilczek教授在《今日物理》(Physics Today)發(fā)表的專題報道“未來百年的物理學(xué)”中所指出的，量子模擬“將成為化學(xué)和材料科學(xué)的核心工具。”

　　在該項研究成果中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊首次成功觀測到了超低溫下弱束縛的分子和原子發(fā)生的可控態(tài)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)。在實驗中，他們巧妙的利用弱束縛分子的束縛能可以調(diào)節(jié)的特性，精確控制反應(yīng)中釋放的能量，實現(xiàn)了對反應(yīng)產(chǎn)物的囚禁。在此基礎(chǔ)上，他們利用精密的射頻場操作技術(shù)，成功探測了反應(yīng)的分子產(chǎn)物和原子產(chǎn)物，并進(jìn)一步研究了態(tài)態(tài)反應(yīng)動力學(xué)。實驗結(jié)果證實了弱束縛分子之間化學(xué)反應(yīng)通道的選擇性，驗證了W. Stwalley約40年前的預(yù)言。

　　該實驗的重要意義在于，這是第一次在超冷化學(xué)反應(yīng)中觀測到態(tài)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，從而將化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的實驗研究推進(jìn)到量子水平。這一工作得到了《自然·物理》審稿人的高度評價：“探測超冷化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是目前該領(lǐng)域的重大研究目標(biāo)，本工作向這個目標(biāo)邁出了第一步”;“該工作是超冷化學(xué)領(lǐng)域的一個重要的里程碑，將引起化學(xué)和物理研究者的廣泛興趣”。

　　該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、科技部、中科院等單位的支持。

　　相關(guān)知識：

　　可控化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的一個重要方向是對弱束縛分子化學(xué)反應(yīng)的研究，這一問題可以追溯到約40年前。早在1978年，化學(xué)家W. Stwalley就曾指出弱束縛分子具有非同尋常的反應(yīng)性質(zhì)，它的反應(yīng)會選擇性通過一個反應(yīng)通道進(jìn)行。但由于弱束縛分子常溫下不能存在，長期以來這一預(yù)言一直無法得到實驗檢驗。近年來，隨著超冷原子分子技術(shù)的發(fā)展，超低溫的弱束縛分子可以從接近絕對零度的原子氣中被制備出來，從而使得對其化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)的實驗研究成為可能。

　　在接近絕對零度的溫度下，分子的德布羅意波長遠(yuǎn)大于相互作用的尺寸，因此化學(xué)反應(yīng)完全由量子力學(xué)所主導(dǎo)，諸如量子散射、量子統(tǒng)計等量子效應(yīng)將顯著的改變化學(xué)反應(yīng)的行為。超冷化學(xué)的研究為探索化學(xué)反應(yīng)的機理和動力學(xué)提供了前所未有的量子態(tài)分辨率、能量分辨率和可調(diào)控性。近年來，超冷化學(xué)反應(yīng)的研究取得了系列重要實驗進(jìn)展，例如，2010年，美國科學(xué)院院士D. Jin和葉軍的聯(lián)合實驗小組觀測到了超低溫下銣鉀基態(tài)分子之間的化學(xué)反應(yīng);奧地利因斯布魯克大學(xué)的R.Grimm小組報道了弱束縛銫分子發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)等。然而，這些實驗都只能測量反應(yīng)物的損失，而無法對反應(yīng)的產(chǎn)物的進(jìn)行觀測。迄今為止，超低溫下態(tài)態(tài)化學(xué)反應(yīng)尚未被實驗實現(xiàn)。