氢分子与惰性气体原子碰撞中的量子效应

诸平

据德国柏林自由大学（Free University of Berlin / Freie Universität Berlin, Arnimallee, Berlin, Germany）2023年4月12日提供的消息，氢分子与惰性气体原子碰撞中的量子效应（Quantum effects demonstrated in the collision of hydrogen molecules with noble gas atoms）报道中，介绍了由柏林自由大学的量子物理学家克里斯蒂安·科赫（Christiane Koch） 领导的研究小组，展示了氢分子在与惰性气体原子（如氦或氖）碰撞时，如何表现出量子力学行为。相关研究结果于2023年4月6日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Baruch Margulis, Karl P. Horn, Daniel M. Reich, Meenu Upadhyay, Nitzan Kahn, Arthur Christianen, Ad Van Der Avoird, Gerrit C. Groenenboom, Markus Meuwly, Christiane P. Koch, Edvardas Narevicius. Tomography of Feshbach resonance states. Science, 2023, 380(6640): 77-81. DOI: 10.1126/science.adf9888. Publication date: 6 Apr 2023. http://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adf9888

参与此项研究的除了来自柏林自由大学的研究人员之外，还有来自德国多特蒙德技术大学（Technical University of Dortmund / Technische Universität, Dortmund, Germany）、德国马克斯-普朗克量子光学研究所（Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Strasse, Garching, Germany）；以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel）、瑞士巴塞尔大学（University of Basel, Basel, Switzerland）以及荷兰奈梅亨市的拉德堡德大学（Radboud University, Heyendaalseweg, AJ Nijmegen, Netherlands）的研究人员。

在此项研究中，科学家们使用模拟在实验中的原子和分子测量与理论模型之间建立了直接联系；该研究包括理论计算和德国多特蒙德技术大学及以色列魏茨曼科学研究所进行的实验数据。在此过程中，该团队能够证明碰撞会根据量子力学定律改变分子在空间中振动和旋转的方式。量子物理学的研究变得越来越重要。这些发现应用于手机、电视、卫星和医疗诊断等领域。

“现在观察到的量子效应是所谓的费希巴赫共振（Feshbach resonance）。在这里，氢分子和惰性气体原子之间会在短时间内形成化学键，然后两个碰撞伙伴再次分离，”柏林自由大学的物理学家克里斯蒂安·科赫解释道。

“尽管对一个相对较小和简单的系统进行了极其详细的测量和计算，但仍远不可能捕获重建氢分子与惰性气体原子碰撞的完整量子力学特性所需的所有信息。这是由于量子力学的一个基本现象：即测量代表了与经典物理学的界面。因此，我们的工作说明了这样的困境，即我们可以抽象地从数学上掌握量子力学，但我们也需要经典术语才能完整理解量子力学，”克里斯蒂安·科赫说。

“当原子和分子不能再仅通过它们所在的位置和它们移动的速度来描述时，量子效应-无法在经典物理学的帮助下理解的行为-变得明显。然后它们还表现出我们与波的传播相关联的特性，例如以干涉的形式，即波的建设性或破坏性叠加，”克里斯蒂安·科赫解释道。此外，还有诸如纠缠等现象，在这种现象中，量子力学物体尽管空间距离遥远，但物体也会瞬间相互影响。

“量子效应通常发生在涉及原子和分子等非常小的物体时，环境对这些物体的影响非常小。后者是在极短的时间内或在接近绝对零度的极低温度（即-273.15 ℃）下实现的。只有少数所谓的量子态被占据，系统以有序的方式运行，”克里斯蒂安·科赫说。

在更高的温度下，越来越多的量子力学允许状态被占据，量子力学效应在所有状态的统计平均中消失。然后系统的行为更加随机，即它可以根据统计数据进行描述。到目前为止，即使在最冷温度下的碰撞中，也已经在原子和分子的碰撞中观察到这种统计行为。“那么很难甚至不可能从原子和分子的测量中得出关于它们相互作用的结论，从而在实验测量和理论模型之间建立直接联系，”克里斯蒂安·科赫解释道。

本研究得到了德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft: 505622963）、欧洲研究理事会高级基金（European Research Council Advanced Grant）以及NCCR MUST的资助。NCCR是瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Foundation）下属的国家研究能力中心(National Centres of Competence in Research)的简称，MUST是分子超快科技(Molecular Ultrafast Science and Technology)的简称，NCCR MUST是瑞士国家科学基金会于2010年发起的跨学科研究项目。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

• List of all ERC Grants awarded at Freie Universität Berlin: 

  https://www.fu-berlin.de/en/forschung/kommunikation/preise/erc/index.html

Imaging all Feshbach resonances at once

Quantum scattering resonances, and Feshbach resonances in particular, are the key features of cold collisions that can fundamentally change collision outcomes. Numerous previous experiments have mainly focused on the initial channel, providing limited insight into the resonant scattering dynamics. Margulis et al. developed a method in which the energetics and decay channels of Feshbach resonances, formed by collisions induced by Penning ionization of metastable helium or neon atoms and the ground-state hydrogen molecule, were mapped out by ion-electron coincidence velocity map imaging with a precision of several Kelvin, enough to resolve all the final rovibrational quantum states in a single measurement. The proposed method offers a new approach to quantum state mapping of resonant collision dynamics. —YS

Abstract

Feshbach resonances are fundamental to interparticle interactions and become particularly important in cold collisions with atoms, ions, and molecules. In this work, we present the detection of Feshbach resonances in a benchmark system for strongly interacting and highly anisotropic collisions: molecular hydrogen ions colliding with noble gas atoms. The collisions are launched by cold Penning ionization, which exclusively populates Feshbach resonances that span both short- and long-range parts of the interaction potential. We resolved all final molecular channels in a tomographic manner using ion-electron coincidence detection. We demonstrate the nonstatistical nature of the final-state distribution. By performing quantum scattering calculations on ab initio potential energy surfaces, we show that the isolation of the Feshbach resonance pathways reveals their distinctive fingerprints in the collision outcome.