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近日，精密測量院理論與計算化學研究組宋宏偉與美國加利福尼亞大學伯克利分校教授Daniel M. Neumark團隊、新墨西哥大學教授郭華合作，結合慢光電子速度成像光譜實驗和量子動力學理論，獲得了多原子分子反應過渡態區域目前最為完整的圖像，對于理解多原子分子反應的反應機理具有重要意義。相關研究成果發表在國際學術期刊《自然-化學》雜志上。
化學反應過渡態決定了化學反應的基本特性。對于多數化學反應，反應過渡態的壽命非常短，實驗觀測非常困難，因此，直接觀測反應過渡態被認為是化學研究中的一個“圣杯”。 共振態是反應體系在過渡態區域形成的具有一定壽命的準束縛態，它為研究化學反應在過渡態附近的行為提供契機，因而可以通過研究共振態的結構與動力學揭示化學反應的微觀機理。
實驗測量與理論計算的F-NH3光脫附譜
該工作結合慢光電子速度成像光譜實驗和量子動力學理論，觀測到多原子分子反應 F + NH3 → HF + NH2 過渡態區域的多個振動Feshbach共振峰（圖1）。共振波函數表明這些Feshbach共振態位于產物端勢阱、過渡態和反應物端勢阱等區域（圖2），成因于單個或多個反應體系振動模式的激發。由于部分Feshbach共振態的能量高于反應物勢能，因而可能影響化學反應的速率和量子態分布。本研究獲得了多原子分子反應過渡態目前最完整的圖像，表明過渡態光譜方法已經具備探究多原子分子反應過渡態區域復雜動力學行為的能力。
F-NH3負離子基態與不同Feshbach共振態波函數的分布
Feshbach共振態是一種很特殊的量子動力學現象，其標記依賴精確的量子動力學計算。宋宏偉副研究員從2016年開始就致力于開發計算五原子分子體系光電譜的理論方法，提出了高精度勢能面的構建方法（J. Phys. Chem. A 126, 352 (2022)）和精確的量子動力學計算方法（Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 22298 (2021)），為標記實驗光電子譜和理解多原子分子反應微觀機理打下良好的理論基礎。
相關研究成果以“Observation of resonances in the transition state region of the F？+？NH3 reaction using anion photoelectron spectroscopy”為題發表在國際著名學術期刊《自然-化學》雜志上。在本項工作中宋宏偉負責理論計算與分析，宋宏偉和Neumark教授為共同通訊作者。
該研究得到了基金委創新研究群體項目和面上項目的資助。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41557-022-01100-1