到目前為止，進展僅限于弱結合系統，這就需要一種全面的方法來檢測反應產物的量子態信息。超低溫反應給目前的反應動力學理論帶來了挑戰，并能在其發展的下一階段發揮關鍵作用。
在最基本的層面上，化學反應是反應物轉化為生成物的量子力學過程。因此，一個反應的完整表征需要反應物和生成物的量子態解析。在過去的十年中，超冷分子已經成為一個強大的平臺，可以實現對反應物的各種內部自由度的完全控制。此外，超冷分子之間的碰撞是以單一的最低允許的分波（s-或p-波）發生的。利用這些高度控制的分子，對整體反應速率的研究以前所未有的分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態與狀態之間的完整表征仍然具有挑戰性，到目前為止，進展僅限于弱結合系統，這就需要一種全面的方法來檢測反應產物的量子態信息。超低溫反應給目前的反應動力學理論帶來了挑戰，并能在其發展的下一階段發揮關鍵作用。一方面，在超低溫度下制備反應物可以在僅涉及三或四個原子的反應中引起高度復雜的動力學。另一方面，這些系統的小尺寸使它們有利于完成產物量子態映射。這樣的測量，當與確定性的反應物狀態制備相結合時，將為未來的理論提供最精確的基準。盡管超冷反應的復雜性阻礙了精確的量子計算，但統計理論為描述其動力學特征提供了一個可行的選擇。這種理論的核心假設是，中間復合物有足夠的時間來勘察反應相空間，并在可用的運動模式中重新分配其能量，從而導致散射概率在所有允許的產物通道中的平等分配。這個模型已被廣泛用于預測復合物形成反應的產物狀態分布，并取得了合理的成功，盡管發現了系統性的偏差，而且常常被歸因于復合物壽命不夠長。相比之下，由于超冷反應的中間階段較長，對這些系統的狀態調查將為統計理論提供嚴格的測試，并允許對任何非統計行為進行批判性評估。此外，超冷反應中碰撞能量和分波的精確制備，為考察能量閾值附近產物狀態的量子效應提供了機會。今日，在哈佛大學倪康坤教授和Liu Yu（共同通訊作者）團隊帶領下，報告了2KRb→K2 + Rb2反應的全部產物狀態分布。反應物的超冷制備能夠完全控制它們的初始量子自由度，而對兩種產物的狀態解析、重合檢測使散射到57個允許的旋轉狀態對中的每一個的概率得以測量。結果顯示，與基于統計理論的狀態計數模型總體上是一致的，但同時也揭示了幾個偏離的狀態對。特別是，團隊觀察到在最接近外能極限的狀態對中，由于長程力抑制了產物的逃逸，產量受到了強烈的抑制。測量的完整性為量子動力學計算提供了一個超越當前技術水平的基準。相關成果以題為“Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry”發表在了Nature。
圖1 KRb分子之間超冷反應的能量學和產物量子態
圖2 反應產物的重合狀態檢測
圖3 測量的產物狀態分布和與統計理論的比較
圖4 在能量閾值附近長程力對產物形成的影響
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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