随着化学领域对量子效应的探索不断深入，观察和利用化学反应中的量子相干性成为了一项长期的目标。量子相干性，通常通过干涉效应来体现，在许多实验中已被观察到，如光电离、分子束实验中的非弹性和反应散射等。这种相干性的存在引起了科学家的广泛关注，因为它可能对化学反应的动力学产生深远影响，并可能成为未来量子科学的重要资源。在过去的研究中，虽然已经在一些光诱导过程中观察到了相干性的存在，比如光缔合、光电离和光解离，但是通过相干干涉来实现可控的化学反应仍然十分困难。这其中一个核心问题是，是否在反应过程中保持在反应物中准备的量子相干性，尤其是在复杂的双分子碰撞中。若能保持相干性，化学反应不仅可以被有效地控制，还可以被利用为量子科学的重要资源。为了解决这一问题，科学家们转向了超冷分子系统，这些系统在控制分子量子态方面取得了巨大进展。利用这些系统，科学家们可以将分子冷却到极低的温度，并将其准备在单一量子态中。这种技术的发展使得研究者能够更好地探索量子相干性在化学反应中的角色和影响。鉴于此，哈佛大学以及博尔德（Boulder）国家标准与技术研究所的Kang-Kuen Ni等人在“Science”期刊上发表了题为“Quantum interference in atom-exchange reactions”的最新论文。本研究选择了40K87Rb双碱金属分子作为研究平台，因为这种分子具有可观察到的原子交换化学反应，并且其产物分子K2和Rb2具有特殊的核自旋特征。研究者利用先进的巧合检测技术，可以对反应产物的量子态进行高分辨率地表征，从而深入探究了反应过程中量子相干性的表现形式和动力学行为。通过在实验中观察到反应产物的量子态，研究者发现了一些重要的结果。首先，他们发现了产物态分布与各个产物通道的简并度成正比，这表明了反应动力学的混沌性质。其次，研究者还观察到反应产物可以通过反应物的核自旋进行控制，这进一步暗示了在化学反应中可能存在着量子相干性和纠缠的保持和传播。资料显示，哈佛大学的倪康坤（Kang-Kuen Ni）于2022年9月23日荣获“2023年物理学新视野奖”。倪康坤因其在开发光学镊子阵列方面的卓越贡献而获此殊荣，该技术实现了对单个原子的精确控制，广泛应用于量子信息科学、计量学和分子物理学领域。
科学亮点
1.量子相干性在化学反应中的探索：文章着眼于化学反应中的量子相干性，通过实验探索相干性在反应中的存在和影响，对于理解化学反应的量子动力学至关重要。2. 超冷分子系统的应用：研究利用超冷分子系统，实现对分子量子态的精细控制，为在低温下实现量子相干性提供了理想的平台，这是开展相关实验的重要基础。3. 原子交换反应的研究：选取了40K87Rb双碱金属分子系统，对其进行了原子交换化学反应的深入研究，这一反应系统具有丰富的量子动力学现象，有助于揭示量子相干性在反应中的作用。4. 量子态到态分辨率的实验技术：利用先进的实验技术，实现了对反应产物的量子态到态的高分辨率探测，为研究反应动力学提供了关键数据，进一步揭示了量子相干性在反应中的影响。 5. 核自旋的角色：文章强调了核自旋在化学反应中的重要性，探讨了核自旋在反应中的守恒规律，为理解和利用量子相干性提供了新的视角和可能性。
图文解读
图1：在纠缠核自旋态中，制备了反应物分子的原子交换反应产生了不同产物结果，这取决于反应是否保持相干性。
研究结论
本研究在模型原子交换反应中探究了化学反应中的量子相干性保持问题，通过在反应物中准备纠缠核自旋，并观察产物结果，揭示了核自旋相干性的保持。类似于洪-欧-曼德尔干涉的现象，相干相位信息被映射到产物的分布上，这为探索化学反应中的量子动力学提供了新的视角。尽管本研究在一定程度上类似于原子碰撞中产生的超精细自旋纠缠，但其结果表明，在化学反应中，即使存在短程相互作用，核自旋相干性也能保持，这是一项意外的发现。这一发现不仅为利用化学反应生成纠缠对提供了新的途径，还为从化学合成中构建分子量子比特等领域的研究提供了启示。此外，本研究还预示着在潮湿和温暖条件下的反应中的相干性研究可能具有广泛的应用前景，包括对大脑化学现象的理解。这一系列发现拓展了我们对量子相干性在化学领域中的作用的认识，为开展更深入的研究和应用奠定了基础。 Yi-Xiang Liu et al. , Quantum interference in atom-exchange reactions. Science0, eadl6570;https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl6570
