近日，大连化物所化学反应动力学全国重点实验室化学动力学研究中心袁开军研究员、杨学明院士团队联合南京大学谢代前教授、韩山雨副教授团队，在分子光化学领域取得新进展，观测到水分子光解离通过单一锥形交叉反应通道时形成的量子干涉现象。
量子干涉是量子力学的核心原理，是微观粒子波动性的重要体现。1801年，英国物理学家Thomas Young在杨氏双缝实验中首次观测到量子干涉现象，验证了光的波动特性，成为科学史上的重要里程碑。在化学反应中，作为微观粒子的原子和分子从反应物到产物的运动，有可能也同时沿着多条不同的路径进行。这些路径对应的量子波函数会互相干涉，从而增强或减弱反应发生的概率。
21世纪初，研究人员首次在水分子的121.6 nm光解离实验中观测到来自两个不同锥形交叉区解离通道的量子干涉，此后量子干涉现象在化学反应中被陆续揭示。迄今为止，这些干涉现象大多源于两条空间上可区分的反应路径，类似双缝干涉。相比之下，光学中另一类基本干涉现象—— “单缝衍射”，由于源于同一反应通道内不同路径的相干叠加，长期缺乏实验的直接证据。
在本工作中，大连化物所袁开军、杨学明团队利用极紫外光源制备水分子同位素（HOD）到高激发态，结合高分辨探测技术测量产物的量子态分布，发现OD产物振转量子态分布随激发波长变化。谢代前和韩山雨团队基于神经网络构建了水分子高精度多电子态耦合势能面，结合全维量子动力学计算阐明该现象来源于水分子在单一锥形交叉通道解离时直接和间接路径的量子干涉。直接路径通过交叉点后在基态快速解离，间接路径则在交叉点的上锥区被短暂捕获后再转移至基态解离。这两类反应路径在空间上不可区分，但经历的时间不同，其物理本质与光学中的单缝衍射相似。
该工作结合高分辨实验和高精度理论计算，展示了分子光解离通过单一反应通道的量子干涉现象，深化了对势能面锥形交叉相关的非绝热化学反应过程的本质认识，为量子调控非绝热动力学提供了新的思路和实验依据。该研究成果为理解复杂分子体系的光化学行为提供了关键理论支撑。
相关成果以 “Quantum interference between direct and indirect reaction paths in the photodissociation of HOD” 为题，发表在《自然-化学》（Nature Chemistry）上。该工作的第一作者是南京大学博士研究生王俊彦和大连化物所联合培养博士研究生罗子杰。该研究得到国家自然科学基金、科技部科技创新2030重大项目、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”等项目的支持。
