Onlangs, Prof. Yang Xueming van het Dalian Institute of Chemical Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen en prof. Yang Tiangang van de Southern University of Science and Technology bespraken belangrijke vorderingen in de studie van kwantumresonanties in atomaire en moleculaire botsingen bij bijna het absolute nulpunt. Hun artikel is gepubliceerd in Wetenschap op 7 mei

De regels van de kwantummechanica beheersen alle atomaire en moleculaire botsingsprocessen. Het begrijpen van de kwantumaard van atomaire en moleculaire botsingen is essentieel voor het begrijpen van energieoverdracht en chemische reactieprocessen, vooral in het gebied met lage botsingsenergie, waar het kwantumeffect het meest prominent is.

Een opmerkelijk kenmerk van de kwantumaard bij atomaire en moleculaire botsingen zijn kwantumverstrooiingsresonanties, maar het experimenteel onderzoeken ervan was een grote uitdaging vanwege de voorbijgaande aard van deze resonanties.

Dit artikel introduceerde een kwantumresonantiestudie gepubliceerd in hetzelfde nummer van Wetenschap door een onderzoeksgroep van de Universiteit van Nijmegen. Door gebruik te maken van de Stark vertraagde moleculaire bundel van NO(j=1/2 F ) en een cryogene heliumstraal gecombineerd met beeldvormingstechniek voor snelheidskaarten met hoge resolutie, De Jongh en collega's observeerden resonanties in de NO+He inelastische botsingen bij het temperatuurbereik van 0,3 tot 12,3 K.

Nauwkeurige kwantumdynamische berekeningen komen uitstekend overeen met experimentele resultaten. Bijzonder interessant is dat de resonanties alleen nauwkeurig kunnen worden beschreven met behulp van een nieuw NO-He potentiële energie-oppervlak (PES) op het CCSDT(Q)-niveau, wat de uitzonderlijk hoge nauwkeurigheid aantoont van het resonantiebeeld dat is ontwikkeld voor dit benchmark inelastische botsingssysteem.

Naast inelastische verstrooiingsprocessen, resonanties in chemisch reactieve botsingen in het regime van lage botsingsenergie zijn besproken. Een belangrijk referentiesysteem voor reactieresonanties, besproken in het artikel, is de F+H ₂ tot HF+H-reactie, wat een belangrijke bron is van HF-vorming in interstellaire wolken (ISC).

De F+H ₂ het is bekend dat de reactie een significante reactiebarrière heeft (629 cm ^-1 ), daarom zou de reactiviteit ervan verwaarloosbaar moeten zijn bij een temperatuur nabij het absolute nulpunt. Het is belangrijk om het HF-vormingsmechanisme door deze reactie bij koude temperaturen te begrijpen, die kan helpen bij het bepalen van de dichtheid van de waterstofkolom in de ruimte.

Met het verbeterde moleculaire gekruiste bundelapparaat, de F-reactie en H ₂ zijn onderzocht tot 14 K (9,8 cm ^-1 ) bij het State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, DICP. Een duidelijke resonantiepiek bij de botsingsenergie van ~40 cm ^-1 is ontdekt, die verantwoordelijk wordt bevonden voor de verbeterde reactiviteit nabij het absolute nulpunt van de gedetailleerde dynamische analyse op een nauwkeurige PES. Vanwege de resonantie verbeterde kwantumtunneling, deze reactie zou een ongewoon hoge reactiviteit moeten hebben bij temperaturen onder 1 K.

Verdere theoretische analyse gaf aan dat als de bijdrage van de door resonantie versterkte tunneling uit de reactiviteit zou worden verwijderd, de reactiesnelheidsconstante van F + H ₂ onder 10 K zou meer dan drie ordes van grootte worden verminderd.

In dit artikel, de auteurs wezen erop dat een sterke interactie tussen experiment en theorie cruciaal is geweest bij de studie van transiënte botsingsresonanties. De dynamische studies in atomaire en moleculaire botsingen zijn vooral belangrijk voor het begrijpen van energieoverdracht en chemische reactieprocessen die een grote impact kunnen hebben op gecompliceerde systemen, zoals terrestrische en planetaire atmosferen, interstellaire wolken, gasfase lasers, halfgeleiderverwerking, plasma's, en verbrandingsprocessen.