在接近絕對零度下，揭示分子的碰撞：量子力學(xué)規(guī)定分子是波動的！

碰撞實驗為詳細(xì)了解單個粒子水平上的分子相互作用提供了新方法，分子和材料研究所的理論和實驗物理學(xué)家在《科學(xué)》期刊上這項新研究，全面描述了溫度接近絕對零度（-273.15℃）的分子碰撞，揭示了支配分子碰撞內(nèi)部運作的量子力學(xué)基本定律。在低溫下，量子力學(xué)規(guī)則規(guī)定分子行為是波動的，在這種情況下，分子碰撞更類似于水波撞擊巖石，而不是臺球之間的碰撞。

分子在碰撞中的這種波動行為的結(jié)果，就是共振的發(fā)生。在特定的碰撞能量下，碰撞分子在飛離之前形成了一個長壽命的復(fù)合體，即所謂的共振。在這些特定的能量下，散射行為與在附近能量下的散射行為有很大不同，因為分子在一起的時間更長，并且它們之間的相互作用，對碰撞的結(jié)果有更強(qiáng)影響。分子間的相互作用，可以用“相互作用勢”的形式來定量表示。

量子力學(xué)提供了從先進(jìn)的“從頭算”計算中，獲得這種相互作用勢的可能性，并隨后將它們用于預(yù)測碰撞實驗結(jié)果的“量子散射”計算中。當(dāng)計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合時，證實了從頭計算的準(zhǔn)確性。Bas van de Meerakker教授的實驗小組和Gerrit Groenenom教授理論小組之前的合作已經(jīng)證明，這是一個非常有用的工具，可以詳細(xì)和準(zhǔn)確地理解分子之間的相互作用。

低能碰撞

在實驗中，研究人員能夠在略高于絕對零度的溫度下，檢測到碰撞中的共振。Bas van de Meerakker冷分子光譜學(xué)博士研究員蒂姆·德·瓊(Tim De Jongh)解釋說：在這些極低的溫度下，由于共振的存在，我們可以觀察到分子間相互作用的細(xì)節(jié)大大增強(qiáng)，從而可以利用這一點來靈敏地測試從頭計算。然而，實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果并不相符，Gerrit Groenom理論化學(xué)小組博士研究員Matthieu Besemer澄清說：

用通常被稱為‘黃金標(biāo)準(zhǔn)’的方法，計算相互作用勢足夠準(zhǔn)確，足以再現(xiàn)所有之前的實驗數(shù)據(jù)，但對于這些測量，我們不得不將相互作用勢的計算范圍擴(kuò)大到標(biāo)準(zhǔn)理論之外。挑戰(zhàn)來自于精確描述分子復(fù)合物中存在的大量電子之間相互作用的困難。通過使用超出“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的從頭計算，實驗和理論之間取得了一致。兩個學(xué)科和小組之間的協(xié)同作終于達(dá)成一致，并增強(qiáng)了我們對在量子力學(xué)下分子相互作用的理解。

HET控制碰撞

科學(xué)家已經(jīng)證明，通過將相互作用降低到最基本的形式，可以觀察到最細(xì)微的影響。在這些低溫下，分子間的相互作用很容易受到電場等外部影響的影響。最終，這意味著研究人員將能夠利用外場來調(diào)節(jié)甚至控制碰撞。這不僅創(chuàng)造了以盡可能高的細(xì)節(jié)探測分子碰撞的前景，而且創(chuàng)造了以最高控制能力操縱碰撞的前景。

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博科園｜研究/來自：荷蘭科學(xué)研究組織NWO

研究發(fā)表期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aba3990

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