到目前爲止，進展僅限于弱結合系統，這就需要一(yī)種全面的方法來檢測反應産物(wù)的量子态信息。超低溫反應給目前的反應動力學理論帶來了挑戰，并能在其發展的下(xià)一(yī)階段發揮關鍵作用。
在最基本的層面上，化學反應是反應物(wù)轉化爲生(shēng)成物(wù)的量子力學過程。因此，一(yī)個反應的完整表征需要反應物(wù)和生(shēng)成物(wù)的量子态解析。在過去(qù)的十年中(zhōng)，超冷分(fēn)子已經成爲一(yī)個強大(dà)的平台，可以實現對反應物(wù)的各種内部自由度的完全控制。此外(wài)，超冷分(fēn)子之間的碰撞是以單一(yī)的最低允許的分(fēn)波（s-或p-波）發生(shēng)的。利用這些高度控制的分(fēn)子，對整體(tǐ)反應速率的研究以前所未有的分(fēn)辨率揭示了長程力和散射共振的影響。然而，對這些超冷反應在狀态與狀态之間的完整表征仍然具有挑戰性，到目前爲止，進展僅限于弱結合系統，這就需要一(yī)種全面的方法來檢測反應産物(wù)的量子态信息。超低溫反應給目前的反應動力學理論帶來了挑戰，并能在其發展的下(xià)一(yī)階段發揮關鍵作用。一(yī)方面，在超低溫度下(xià)制備反應物(wù)可以在僅涉及三或四個原子的反應中(zhōng)引起高度複雜(zá)的動力學。另一(yī)方面，這些系統的小(xiǎo)尺寸使它們有利于完成産物(wù)量子态映射。這樣的測量，當與确定性的反應物(wù)狀态制備相結合時，将爲未來的理論提供最精确的基準。盡管超冷反應的複雜(zá)性阻礙了精确的量子計算，但統計理論爲描述其動力學特征提供了一(yī)個可行的選擇。這種理論的核心假設是，中(zhōng)間複合物(wù)有足夠的時間來勘察反應相空間，并在可用的運動模式中(zhōng)重新分(fēn)配其能量，從而導緻散射概率在所有允許的産物(wù)通道中(zhōng)的平等分(fēn)配。這個模型已被廣泛用于預測複合物(wù)形成反應的産物(wù)狀态分(fēn)布，并取得了合理的成功，盡管發現了系統性的偏差，而且常常被歸因于複合物(wù)壽命不夠長。相比之下(xià)，由于超冷反應的中(zhōng)間階段較長，對這些系統的狀态調查将爲統計理論提供嚴格的測試，并允許對任何非統計行爲進行批判性評估。此外(wài)，超冷反應中(zhōng)碰撞能量和分(fēn)波的精确制備，爲考察能量阈值附近産物(wù)狀态的量子效應提供了機會。今日，在哈佛大(dà)學倪康坤教授和Liu Yu（共同通訊作者）團隊帶領下(xià)，報告了2KRb→K2 + Rb2反應的全部産物(wù)狀态分(fēn)布。反應物(wù)的超冷制備能夠完全控制它們的初始量子自由度，而對兩種産物(wù)的狀态解析、重合檢測使散射到57個允許的旋轉狀态對中(zhōng)的每一(yī)個的概率得以測量。結果顯示，與基于統計理論的狀态計數模型總體(tǐ)上是一(yī)緻的，但同時也揭示了幾個偏離(lí)的狀态對。特别是，團隊觀察到在最接近外(wài)能極限的狀态對中(zhōng)，由于長程力抑制了産物(wù)的逃逸，産量受到了強烈的抑制。測量的完整性爲量子動力學計算提供了一(yī)個超越當前技術水平的基準。相關成果以題爲“Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry”發表在了Nature。
圖1 KRb分(fēn)子之間超冷反應的能量學和産物(wù)量子态
圖2 反應産物(wù)的重合狀态檢測
圖3 測量的産物(wù)狀态分(fēn)布和與統計理論的比較
圖4 在能量阈值附近長程力對産物(wù)形成的影響
文獻鏈接：Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-021-03459-6）
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