Lo schema mostra lo stato di risonanza quantistica quasi legato nella regione post barriera, che è responsabile dell'aumentata reattività in F+H 2 alla reazione HF+H a temperatura prossima allo zero assoluto. Credito:DICP
Recentemente, Il prof. Yang Xueming dell'Istituto di fisica chimica di Dalian dell'Accademia cinese delle scienze e il prof. Yang Tiangang della Southern University of Science and Technology hanno discusso progressi significativi nello studio delle risonanze quantistiche nelle collisioni atomiche e molecolari a temperature prossime allo zero assoluto. Il loro articolo è stato pubblicato su Scienza il 7 maggio
Le regole della meccanica quantistica governano tutti i processi di collisione atomica e molecolare. Comprendere la natura quantistica delle collisioni atomiche e molecolari è essenziale per comprendere il trasferimento di energia e i processi di reazione chimica, soprattutto nella regione a bassa energia di collisione, dove l'effetto quantistico è il più importante.
Una caratteristica notevole della natura quantistica nella collisione atomica e molecolare sono le risonanze di diffusione quantistica, ma sondarli sperimentalmente è stata una grande sfida a causa della natura transitoria di queste risonanze.
Questo articolo ha introdotto uno studio sulla risonanza quantistica pubblicato nello stesso numero di Scienza da un gruppo di ricerca dell'Università di Nimega. Utilizzando il fascio molecolare decelerato di Stark di NO(j=1/2 F ) e un fascio di elio criogenico combinato con una tecnica di imaging della mappa di velocità ad alta risoluzione, De Jongh e collaboratori hanno osservato risonanze nelle collisioni anelastiche NO+He nell'intervallo di temperatura compreso tra 0,3 e 12,3 K.
Calcoli accurati di dinamica quantistica sono in ottimo accordo con i risultati sperimentali. Particolarmente interessante è che le risonanze possono essere descritte accuratamente solo utilizzando una nuova superficie di energia potenziale NO-He (PES) a livello CCSDT(Q), dimostrando l'eccezionale precisione dell'immagine di risonanza sviluppata per questo sistema di collisione anelastico di riferimento.
Oltre ai processi di diffusione anelastica, sono state discusse le risonanze nelle collisioni reattive chimiche nel regime a bassa energia di collisione. Un importante sistema di riferimento per le risonanze di reazione, discusso nell'articolo, è la F+H 2 alla reazione HF+H, che è una delle principali fonti di formazione di HF nelle nuvole interstellari (ISC).
Il F+H 2 reazione è nota per avere una significativa barriera di reazione (629 cm -1 ), pertanto la sua reattività dovrebbe essere trascurabile alla temperatura prossima allo zero assoluto. Comprendere il meccanismo di formazione dell'HF attraverso questa reazione alle basse temperature è importante, che può aiutare a determinare la densità della colonna di idrogeno nello spazio.
Con l'apparato molecolare a fascio incrociato migliorato, la reazione F e H 2 sono stati studiati fino a 14 K (9,8 cm -1 ) presso lo State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, DICP. Un chiaro picco di risonanza all'energia di collisione di ~40 cm -1 è stato scoperto, che si trova responsabile della maggiore reattività vicino alla temperatura dello zero assoluto dall'analisi dinamica dettagliata su un accurato PES. A causa del tunneling quantistico potenziato dalla risonanza, questa reazione dovrebbe avere una reattività insolitamente elevata a temperature inferiori a 1 K.
Ulteriori analisi teoriche hanno indicato che se il contributo del tunneling potenziato dalla risonanza fosse rimosso dalla reattività, la costante di velocità di reazione di F + H 2 al di sotto di 10 K si ridurrebbe di più di tre ordini di grandezza.
In questo articolo, gli autori hanno sottolineato che una forte interazione tra esperimento e teoria è stata cruciale nello studio delle risonanze transitorie di collisione. Gli studi di dinamica nelle collisioni atomiche e molecolari sono particolarmente importanti per comprendere il trasferimento di energia e i processi di reazione chimica che potrebbero avere un ampio impatto su sistemi complicati, come le atmosfere terrestri e planetarie, nuvole interstellari, laser in fase gassosa, lavorazione dei semiconduttori, plasma, e processi di combustione.
