南方科技大學:“趨近絕對零度的量子共振”

南方科技大學(簡稱南科大)是深圳在中國高等教育改革發展的時代背景下,創建的一所高起點、高定位的公辦創新型大學,它肩負著為我國高等教育改革發揮先導和示范作用的使命,並致力於服務創新型國傢建設和深圳創新型城市建設。南科大被確定為國傢高等教育綜合改革試驗校。2012年4月,教育部同意建校,並賦予學校探索具有中國特色的現代大學制度、探索創新人才培養模式的重大使命。

近兩周南方科技大學科研成果突出,在《Nature》、《Science》連發三文:

  • 2020年4月29日,南方科技大學生物系教授郭紅衛課題組在《自然》(Nature)雜志發表瞭以“Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”為題的研究成果。該論文通過在特定突變體中鑒定到大量植物內源22nt siRNA,揭示瞭擬南芥22nt小RNA介導翻譯抑制與脅迫適應性的重要生物學功能,是植物小RNA領域的一項突破性研究成果。
  • 4月30日,南方科技大學工學院材料科學與工程系副教授劉瑋書課題組與美國國傢工程院院士、麻省理工學院教授陳剛課題組在離子型室溫熱電材料上獲得重大突破,通過離子的擴散熵與氧化還原電對反應熵的協同效應在準固態離子凝膠中實現瞭高達17 mV/K的巨熱電勢效應。研究成果以First release的形式發表在頂級期刊《科學》(Science)上。

5月8日,南方科技大學理學院院長、化學系講席教授、中國科學院院士楊學明和化學系助理教授楊天罡應邀在《科學》雜志(Science)發表評述文章“Quantum resonances near absolute zero”,討論趨近絕對零度的原子與分子碰撞過程中量子散射共振研究的進展。楊天罡為文章第一作者,楊學明為文章通訊作者,南科大為第一通訊單位。

南方科技大學:“趨近絕對零度的量子共振”

原子與分子的碰撞傳能以及化學反應過程受量子力學的規則控制。理解量子效應在原子與分子碰撞中的作用是理解能量傳遞以及化學反應過程的根本。而量子效應在低溫下能夠更好保存,因此低溫條件對碰撞結果的影響會更加顯著。量子散射共振給實驗提供瞭一種觀測碰撞過程中量子效應的方法,但由於其壽命很短,實驗觀測的挑戰巨大。

評述文章詳細介紹瞭同期《科學》雜志發表的關於極低溫量子散射共振的研究工作。通過利用斯塔克減速技術產生的NO(j=1/2f) 束源和冷He束源結合高分辨的速度成像技術,荷蘭科學傢實現瞭碰撞能0.3 ~ 12.3 K下NO+He體系的高分辨非彈性散射動力學研究,並觀測到瞭多個共振現象。更有意思的是,這個實驗結果隻能用CCSDT(Q)下發展的一個最新的精確勢能面上的計算來描述,也表明瞭在此非彈性散射系統中,實驗中觀測到的量子散射共振圖像可以精確測試量子計算結果,幫助理解量子效應在原子分子碰撞能量傳遞中的作用。

評述文章還介紹瞭一個趨近絕對零度量子散射共振在化學反應中發揮重要作用的例子。F+H2→HF+H 反應是星際化學中產生HF分子的重要過程。但是F+H2反應具有1.8 kcal/mol高度的勢壘(629 cm-1),經典模型下在接近絕對零度時這個反應幾率是完全可以忽略的。2019年,大連化物所研究團隊通過利用H原子裡德堡態標示時間飛渡譜技術,觀測到瞭反應溫度低至14 K(9.8 cm-1)時此反應仍然發生的證據,同時觀測到瞭約 40 cm-1碰撞能的一個反應共振峰。進一步理論分析表明,F+H2在低溫時的反應性,是通過反應共振態所增強的隧穿效應而產生的,而不是通常簡單的隧穿效應,這也是在接近絕對零度下此反應仍然可以發生的原因。如果將共振態所導致的共振增強效應移除,F+H2(v=0,j=0)在10K溫度以下的反應速率常數,會降低三個數量級以上。

南方科技大學:“趨近絕對零度的量子共振”

圖1. F+H2→HF+H反應過程中超冷化學反應共振的物理圖像

文章最後指出,趨近絕對零度量子共振的研究進展得益於新的分子束方法以及新的探測技術的發展,精確的理論和實驗之間的互動推動這一領域的發展。量子散射共振研究有助於更加深刻理解氣相碰撞中的傳能以及反應過程,對於理解復雜體系如星際化學,大氣以及燃燒等過程也具有重要意義。

楊學明主要從事氣相及表面化學動力學研究,發表300餘篇論文,其中Science 12篇,Nature 1篇,研究成果兩次入選中國十大科技進展新聞。現任國傢自然科學基金委化學部主任,中國化學會第三十屆理事會副理事長,美國科學促進會Science Advances副主編、美國化學會Journal of Physical Chemistry A/B/C高級編輯、Chinese Journal of Chemical Physics主編,以及Chemical Society Reviews等雜志的編委。

楊天罡研究方向為基元化學反應的微觀機理、冷分子反應動力學、量子調控與精密測量。從事研究工作以來,緊密圍繞反應共振態在化學反應中的作用、量子隧穿效應在低溫星際化學中的應用以及低溫離子分子反應動力學開展系列工作,相關成果多次在Science、Nat. Chem.、J. Phys. Chem. Lett. 等國際權威期刊上發表。

原文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/582

楊學明個人主頁:

http://faculty.sustech.edu.cn/yangxm/

楊天罡個人主頁:

http://faculty.sustech.edu.cn/yangtg/

參考文獻:

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/626

https://www.nature.com/articles/s41557-019-0280-3

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