隨著化學(xué)領(lǐng)域?qū)α孔有?yīng)的探索不斷深入，觀察和利用化學(xué)反應(yīng)中的量子相干性成為了一項長期的目標(biāo)。量子相干性，通常通過干涉效應(yīng)來體現(xiàn)，在許多實驗中已被觀察到，如光電離、分子束實驗中的非彈性和反應(yīng)散射等。這種相干性的存在引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，因為它可能對化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并可能成為未來量子科學(xué)的重要資源。在過去的研究中，雖然已經(jīng)在一些光誘導(dǎo)過程中觀察到了相干性的存在，比如光締合、光電離和光解離，但是通過相干干涉來實現(xiàn)可控的化學(xué)反應(yīng)仍然十分困難。這其中一個核心問題是，是否在反應(yīng)過程中保持在反應(yīng)物中準(zhǔn)備的量子相干性，尤其是在復(fù)雜的雙分子碰撞中。若能保持相干性，化學(xué)反應(yīng)不僅可以被有效地控制，還可以被利用為量子科學(xué)的重要資源。為了解決這一問題，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了超冷分子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在控制分子量子態(tài)方面取得了巨大進(jìn)展。利用這些系統(tǒng)，科學(xué)家們可以將分子冷卻到極低的溫度，并將其準(zhǔn)備在單一量子態(tài)中。這種技術(shù)的發(fā)展使得研究者能夠更好地探索量子相干性在化學(xué)反應(yīng)中的角色和影響。鑒于此，哈佛大學(xué)以及博爾德（Boulder）國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的Kang-Kuen Ni等人在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Quantum interference in atom-exchange reactions”的最新論文。本研究選擇了40K87Rb雙堿金屬分子作為研究平臺，因為這種分子具有可觀察到的原子交換化學(xué)反應(yīng)，并且其產(chǎn)物分子K2和Rb2具有特殊的核自旋特征。研究者利用先進(jìn)的巧合檢測技術(shù)，可以對反應(yīng)產(chǎn)物的量子態(tài)進(jìn)行高分辨率地表征，從而深入探究了反應(yīng)過程中量子相干性的表現(xiàn)形式和動力學(xué)行為。通過在實驗中觀察到反應(yīng)產(chǎn)物的量子態(tài)，研究者發(fā)現(xiàn)了一些重要的結(jié)果。首先，他們發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)物態(tài)分布與各個產(chǎn)物通道的簡并度成正比，這表明了反應(yīng)動力學(xué)的混沌性質(zhì)。其次，研究者還觀察到反應(yīng)產(chǎn)物可以通過反應(yīng)物的核自旋進(jìn)行控制，這進(jìn)一步暗示了在化學(xué)反應(yīng)中可能存在著量子相干性和糾纏的保持和傳播。資料顯示，哈佛大學(xué)的倪康坤（Kang-Kuen Ni）于2022年9月23日榮獲“2023年物理學(xué)新視野獎”。倪康坤因其在開發(fā)光學(xué)鑷子陣列方面的卓越貢獻(xiàn)而獲此殊榮，該技術(shù)實現(xiàn)了對單個原子的精確控制，廣泛應(yīng)用于量子信息科學(xué)、計量學(xué)和分子物理學(xué)領(lǐng)域。
科學(xué)亮點(diǎn)
1.量子相干性在化學(xué)反應(yīng)中的探索：文章著眼于化學(xué)反應(yīng)中的量子相干性，通過實驗探索相干性在反應(yīng)中的存在和影響，對于理解化學(xué)反應(yīng)的量子動力學(xué)至關(guān)重要。2. 超冷分子系統(tǒng)的應(yīng)用：研究利用超冷分子系統(tǒng)，實現(xiàn)對分子量子態(tài)的精細(xì)控制，為在低溫下實現(xiàn)量子相干性提供了理想的平臺，這是開展相關(guān)實驗的重要基礎(chǔ)。3. 原子交換反應(yīng)的研究：選取了40K87Rb雙堿金屬分子系統(tǒng)，對其進(jìn)行了原子交換化學(xué)反應(yīng)的深入研究，這一反應(yīng)系統(tǒng)具有豐富的量子動力學(xué)現(xiàn)象，有助于揭示量子相干性在反應(yīng)中的作用。4. 量子態(tài)到態(tài)分辨率的實驗技術(shù)：利用先進(jìn)的實驗技術(shù)，實現(xiàn)了對反應(yīng)產(chǎn)物的量子態(tài)到態(tài)的高分辨率探測，為研究反應(yīng)動力學(xué)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)一步揭示了量子相干性在反應(yīng)中的影響。 5. 核自旋的角色：文章強(qiáng)調(diào)了核自旋在化學(xué)反應(yīng)中的重要性，探討了核自旋在反應(yīng)中的守恒規(guī)律，為理解和利用量子相干性提供了新的視角和可能性。
圖文解讀
圖1：在糾纏核自旋態(tài)中，制備了反應(yīng)物分子的原子交換反應(yīng)產(chǎn)生了不同產(chǎn)物結(jié)果，這取決于反應(yīng)是否保持相干性。 圖2. 反應(yīng)產(chǎn)物的符合檢測。 圖3. 相干反應(yīng)產(chǎn)物狀態(tài)分布。圖 4. 在統(tǒng)計混合物中，制備的反應(yīng)物分子反應(yīng)。
研究結(jié)論
本研究在模型原子交換反應(yīng)中探究了化學(xué)反應(yīng)中的量子相干性保持問題，通過在反應(yīng)物中準(zhǔn)備糾纏核自旋，并觀察產(chǎn)物結(jié)果，揭示了核自旋相干性的保持。類似于洪-歐-曼德爾干涉的現(xiàn)象，相干相位信息被映射到產(chǎn)物的分布上，這為探索化學(xué)反應(yīng)中的量子動力學(xué)提供了新的視角。盡管本研究在一定程度上類似于原子碰撞中產(chǎn)生的超精細(xì)自旋糾纏，但其結(jié)果表明，在化學(xué)反應(yīng)中，即使存在短程相互作用，核自旋相干性也能保持，這是一項意外的發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)不僅為利用化學(xué)反應(yīng)生成糾纏對提供了新的途徑，還為從化學(xué)合成中構(gòu)建分子量子比特等領(lǐng)域的研究提供了啟示。此外，本研究還預(yù)示著在潮濕和溫暖條件下的反應(yīng)中的相干性研究可能具有廣泛的應(yīng)用前景，包括對大腦化學(xué)現(xiàn)象的理解。這一系列發(fā)現(xiàn)拓展了我們對量子相干性在化學(xué)領(lǐng)域中的作用的認(rèn)識，為開展更深入的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 Yi-Xiang Liu et al. , Quantum interference in atom-exchange reactions. Science0, eadl6570;https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl6570
