量子散射共振成像揭示ND3-H2低温碰撞中的多原子分子动力学奥秘

研究人员通过联合实验与理论方法，首次在六原子体系ND3-H2/HD的低温（0.5-25 cm-1）非弹性碰撞中观测到量子散射共振现象。利用VUV激光电离结合速度成像技术（VMI）解析微分截面（DCS），结合CCSD(T)+ET(Q)势能面计算，揭示了多原子对称陀螺分子碰撞中的分波动力学特性，为复杂体系量子控制奠定基础。

　　

在原子分子物理领域，量子散射共振被视为低温分子碰撞中最显著的量子效应之一。尽管理论预测已有数十年，但实验观测始终局限于四原子以下体系。将研究拓展至更复杂的多原子系统，对验证化学相关过程的量子本质至关重要，然而分子复杂性增加带来的势能面(PES)精度要求、实验检测灵敏度不足等问题长期阻碍进展。

荷兰拉德堡德大学（Radboud University Nijmegen）的Stach E.J.Kuijpers团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过ND₃-H₂/HD六原子体系实验，首次实现多原子对称陀螺分子散射共振的高分辨观测。研究结合斯塔克减速器调控碰撞能量（0.5-25 cm^-1）与新型1+1'真空紫外(VUV)电离方案，克服了传统REMPI检测的离子反冲干扰难题，成功获得积分截面(ICS)和微分截面(DCS)的共振特征。理论方面，团队构建了CCSD(T)/AVTZ+MB势能面并引入CCSDT(Q)修正，发现仅当PES深度增加2%时才能复现实验观测的共振位移，凸显量子共振对势能面细节的极端敏感性。

关键技术包括：1）交叉分子束装置结合斯塔克减速器实现0.1 cm^-1能量分辨率；2）低温H₂/HD束流（35-40K）与速度可调ND₃束（350-980 m/s）的5.2°角度交叉；3）近零反冲的VUV 1+1' REMPI检测技术；4）基于29,568个几何构型的CCSD(T)+E^T(Q)势能面计算；5）全分波紧耦合方法解析J=3-6的共振贡献。

主要研究结果

积分截面共振特征

实验观测到ND₃-H₂在1、6、13 cm^-1处的显著共振峰（图1），而ND₃-HD因质量效应共振较弱。与早期Maret势能面（CCSD(T)/AVDZ）相比，新构建的CCSD(T)+E^T(Q)势能面将共振位置向低能区偏移2%，更吻合实验数据。

3(1₁^-→1₁⁺)与H₂/HD碰撞的积分截面对比'>

分波动力学解析

通过J分波分解（图2），发现1.2 cm^-1处共振主要由J=3贡献，属于Feshbach共振（暂态激发2₁^-闭合通道）。在7.87-7.97 cm^-1处首次识别出形状共振（?_in=2,4→?_res=4→?_out=3），14.47 cm^-1处则为混合共振。

微分截面量子干涉

高分辨VMI图像（图3-4）显示衍射振荡（1/√E_col标度律）在共振能量处被强烈调制，如3.4 cm^-1时后向散射突增。理论模拟与实验图像的匹配度验证了势能面精度，而传统势能面预测的DCS相位偏差达20%。

3-H₂散射速度成像对比'>

3-HD散射角度分布'>

结论与展望

该研究将量子散射共振实验推进至多原子分子领域，证实CCSDT(Q)修正对复杂体系PES的必要性。ND₃的1.47 D大偶极矩为后续电场调控共振创造了条件，其|m_j|=1投影态的分离检测更可探索立体动力学效应。这一突破为星际NH₃分子云温度建模提供了精确碰撞数据，并为基于外场操控的量子化学控制开辟新途径。