中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事趙博、陳宇翱等在超冷分子和超冷化學(xué)量子模擬研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們首次在實(shí)驗(yàn)上直接觀測到超低溫度下弱束縛分子與自由原子間發(fā)生的態(tài)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了可控態(tài)態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的探測，從而向基于超冷分子的超冷量子化學(xué)的研究邁進(jìn)了重要一步。7月4日，這一重要研究成果以研究長文的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·物理學(xué)》上[Nature Physics 13, 699–703 (2017)]。

量子計(jì)算和模擬具有強(qiáng)大的并行計(jì)算和模擬能力，不僅為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案，也可有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律，為新能源開發(fā)、新材料設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)。對(duì)化學(xué)反應(yīng)和材料進(jìn)行建模是量子計(jì)算最先可能的應(yīng)用之一。借助量子模擬，研究者可以在人工可控的環(huán)境中研究數(shù)百萬計(jì)的候選，大幅減少在真實(shí)材料中開展試驗(yàn)而投入的時(shí)間和資金。如同諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、麻省理工學(xué)院的Frank Wilczek教授在《今日物理》(Physics Today)發(fā)表的專題報(bào)道“未來百年的物理學(xué)”中所指出的，量子模擬“將成為化學(xué)和材料科學(xué)的核心工具。”

可控化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要方向是對(duì)弱束縛分子化學(xué)反應(yīng)的研究，這一問題可以追溯到約40年前。早在1978年，化學(xué)家W. Stwalley就曾指出弱束縛分子具有非同尋常的反應(yīng)性質(zhì)，它的反應(yīng)會(huì)選擇性通過一個(gè)反應(yīng)通道進(jìn)行。但由于弱束縛分子常溫下不能存在，長期以來這一預(yù)言一直無法得到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。近年來，隨著超冷原子分子技術(shù)的發(fā)展，超低溫的弱束縛分子可以從接近絕對(duì)零度的原子氣中被制備出來，從而使得對(duì)其化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究成為可能。

圖：超低溫下弱束縛分子和原子之間發(fā)生的態(tài)態(tài)化學(xué)反應(yīng)

在接近絕對(duì)零度的溫度下，分子的德布羅意波長遠(yuǎn)大于相互作用的尺寸，因此化學(xué)反應(yīng)完全由量子力學(xué)所主導(dǎo)，諸如量子散射、量子統(tǒng)計(jì)等量子效應(yīng)將顯著的改變化學(xué)反應(yīng)的行為。超冷化學(xué)的研究為探索化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)提供了前所未有的量子態(tài)分辨率、能量分辨率和可調(diào)控性。近年來，超冷化學(xué)反應(yīng)的研究取得了系列重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，例如，2010年，美國科學(xué)院院士D. Jin和葉軍的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組觀測到了超低溫下銣鉀基態(tài)分子之間的化學(xué)反應(yīng)；奧地利因斯布魯克大學(xué)的R.Grimm小組報(bào)道了弱束縛銫分子發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)等。然而，這些實(shí)驗(yàn)都只能測量反應(yīng)物的損失，而無法對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)物的進(jìn)行觀測。迄今為止，超低溫下態(tài)態(tài)化學(xué)反應(yīng)尚未被實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

在該項(xiàng)研究成果中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次成功觀測到了超低溫下弱束縛的分子和原子發(fā)生的可控態(tài)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，他們巧妙的利用弱束縛分子的束縛能可以調(diào)節(jié)的特性，精確控制反應(yīng)中釋放的能量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的囚禁。在此基礎(chǔ)上，他們利用精密的射頻場操作技術(shù)，成功探測了反應(yīng)的分子產(chǎn)物和原子產(chǎn)物，并進(jìn)一步研究了態(tài)態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了弱束縛分子之間化學(xué)反應(yīng)通道的選擇性，驗(yàn)證了W. Stwalley約40年前的預(yù)言。

該實(shí)驗(yàn)的重要意義在于，這是第一次在超冷化學(xué)反應(yīng)中觀測到態(tài)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，從而將化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究推進(jìn)到量子水平。這一工作得到了《自然·物理》審稿人的高度評(píng)價(jià)：“探測超冷化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是目前該領(lǐng)域的重大研究目標(biāo)，本工作向這個(gè)目標(biāo)邁出了第一步”；“該工作是超冷化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程碑，將引起化學(xué)和物理研究者的廣泛興趣”。

該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、科技部、中科院等單位的支持。

（中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、量子信息和量子科技前沿創(chuàng)新中心、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、科研部）