近日，中國科學院院士、南方科技大學理學院院長、化學系講席教授楊學明團隊聯合中國科學院大連化物所研究員孫志剛團隊和中國科學技術大學教授王興安課題組，詳細研究了具有分波共振的F+HD反應的動力學過程，首次發現電子角動量對化學反應微分截面的影響以及基元化學反應中自旋軌道分波的量子干涉現象。研究成果以“Quantum
interference between spin-orbit split partial waves in the F + HD→HF + D
reaction”為題發表在《科學》（Science）雜志上。
分子反應動力學是在微觀層次上研究化學反應動力學過程的學科。利用交叉分子束實驗裝置結果和量子分子動力學理論模擬相結合，是研究化學反應動力學過程的基本手段。近年來，楊學明和王興安發展了交叉分子束離子成像裝置，使得探測產物的分辨率提高到了產物的轉動態，利用該實驗裝置，結合新發展的量子動力學理論分析方法，合作團隊在2018年首次確認了化學反應中量子幾何相位效應的存在（Science, 2018），使化學反應動力學的研究經歷了從產物量子振動態分辨率到轉動態分辨率的發展。而在更微觀層次上研究化學反應動力學過程，例如研究電子角動量甚至原子核自旋角動量是如何影響化學反應動力學過程的，將是化學反應動力學研究的又一個標志性的進展。
研究人員結合理論與實驗，對電子自旋和軌道角動量在氟原子與氫分子的反應F+HD->HF+D中的影響進行了研究。理論方面，孫志剛團隊發展了考慮電子角動量效應的量子動力學理論模擬方法，對這個獨特的馬蹄鐵形動力學結構進行了解釋。理論表明，這個動力學結構是由具有正負宇稱的自旋軌道分裂的共振分波的量子干涉導致的，馬蹄鐵形很大程度上是自旋軌道分裂-部分波共振具有正負平衡的量子干擾的結果。經理論分析顯示，這一特殊圖案是源自于F原子的電子角動量效應能夠將單一的分波共振可以變成具有四重精細結構的分波共振，從而改變化學反應產物的角度分布。研究團隊通過實驗，將交叉分子束方法、時間切片離子速度成像技術與近閾值電離技術相結合，應用高分辨的實驗測量獲得了產物轉動量子態分辨的微分散射截面，并在微分散射截面前向散射方向觀測到了一個獨特的馬蹄鐵形結構。
碰撞能為2.10 kcal/mol水平的F + HD → HF + D反應中的D-原子產物
這一發現為“自旋-軌道相互作用影響化學反應動力學”提供了一個典型案例。同期，Science雜志上T. Peter Rakitzis教授以“Transition states and spin-orbit structure”為題對該研究發表評述。
楊學明為論文共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。
論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/371/6532/936
同期評述文章：https://science.sciencemag.org/content/371/6532/886
