方向很重要！我们用激光来控制

在生活中，找准方向十分重要，中国古代四大发明之一便是指南针。指南针利用的是磁铁在地磁场作用下具有特定的朝向。控制磁场方向，我们便可以控制放置于其中的磁铁的方向。

图片来源：veer图库

方向这一概念在化学中也有着极其重要的地位。化学中的许多分子都不是球形的，可能有哑铃形、链条形等等，而这些形状本身就蕴含着方向的概念。例如氢分子，它由两个氢原子通过化学键相连接，形成哑铃形的分子。其它分子撞击氢分子时，从左侧碰撞与从上侧碰撞显然是不同的。

化学反应的本质是碰撞过程中的旧键断裂与新键形成。而这种碰撞方向或者进攻方向的概念在化学中更是无处不在的，许多化学反应只有从特定方向进攻才能得以发生。例如下图所示的Rb+ICH₃→IRb+CH₃反应中，Rb原子只有从特定区域进攻ICH₃分子，才能夺走I原子形成IRb，发生反应。

这种直觉性的图像是扎根于化学人内心的，但如何真正从实验上去证实这件事却极具挑战性。因为从微观层面上控制分子的方向进行碰撞，这是一件十分困难的事情。磁铁因为具有磁性，容易被磁场控制，这是磁力作用的体现，而分子本身的磁性是非常微弱的，我们难以用磁场对其方向进行控制。电场或许是一个不错的选择，但是电场也很难用于中性分子的控制，而对于氢分子这类非极性分子，电场更是无计可施。

磁场与电场都难以控制氢分子这类非极性分子的方向，但是电磁波（也就是我们常说的“光”）却可以实现。电磁波并非利用磁力或者电力。电磁波将分子激发到特定的量子态之后，分子本身就具有了特定的朝向，该朝向与电磁场方向存在一定的关系。我们的实验中则需要使用到激光，激光具有极高的亮度，因此才能发挥足够强的作用来控制方向。不过对于氢分子而言，要控制其方向，对于激光各方面的参数又有相当高的要求——激光需要非常亮、激光的颜色需要非常单一、波长稳定性要极高，从而保证所有激光能量都集中在分子的跃迁谱线内。我们实验团队经过近十年的技术积累与发展，研制出了高能量、单纵模纳秒光参量振荡放大器，成功获得了可以控制氢分子方向的激光。

用于激发氢分子化学键并控制其方向的高能量、单纵模激光系统

将该激光作用于氢分子，将其激发至振动激发态，同时化学键的方向平行于激光的电场方向。通过改变激光电场方向即可改变分子方向，而激光电场方向又被称为偏振方向，可以简单通过波片这一光学器件对其进行控制。这里的波片就像船舵一般，我们转动波片就可以改变分子的方向，正如转动船舵可以改变船的航行方向。所以通过这一技术手段，我们可以做氢分子的“掌舵人”，控制氢分子在化学反应中的碰撞方向。

发生不同方向的碰撞，产物不一样？

有了可以随心所欲控制氢分子方向的技术之后，我们迫不及待将其用于化学反应的研究。前面说过化学反应都是通过碰撞发生的，我们使用“交叉分子束”技术便可以研究化学反应的碰撞过程，获得其中的反应机理信息。交叉分子束技术通过将反应物分子制备到特定的速度、量子态之后，再进行相互碰撞。这和粒子对撞机有相似之处，不过此处分子的速度要慢许多，因此碰撞的能量也会小很多，但这样的碰撞能量已经足够使得化学键断裂，发生反应。

我们这里控制的是氢氘分子（HD），它与普通的氢分子有所不同，将普通氢分子中的一个氢原子替换为了氘原子。我们研究的反应十分简单，是氢原子与氢氘分子碰撞、生成氢分子与氘原子，化学方程式写为H+HD→H₂+D。对于这一简单的化学反应，我们可以在实验层面上进行量子态分辨的探测，也可以在理论上进行全量子力学的计算模拟。

我们控制HD分子方向，进行了两种典型的碰撞过程研究：平行碰撞与垂直碰撞，如下图所示，平行或垂直指的是HD化学键与碰撞方向的关系。选择平行与垂直两种方向，是因为这是两个“极端”的角度。

碰撞之后，反应得以发生，得到的氢分子与氘原子会散射到各个方向。这里的碰撞过程跟生活中台球的碰撞有着相似之处。两种碰撞方向下，氢分子与氘原子的散射可能出现下图的情况：

上图给出了一种可能性——在不同碰撞方向下，氢分子、氘原子散射方向并不相同。我们实际对反应产物进行测量——测量不同方向散射得到的产物有多少，来验证上述猜测。以平行碰撞为例，建立下图的坐标系，以θ表示散射角度。由于我们实际探测的是氘原子，因此以氘原子散射的角度为θ。由于动量守恒，在质心坐标系中，氢分子和氘原子具有相反的飞行方向。

用下面左图的等高线图来表示测量结果，为了让结果更具可读性，在下面右图给出其三维图像，这里峰高即表示产物多少。

实际测量结果如下图所示，图中出现了多层圆环，这是因为产物具有多个量子态。图中用(v’, j’)标记不同产物的量子态，其中v’为产物H₂的振动量子数，j’为H₂的转动量子数。这样的等高线图我们称为微分截面(DCS)。从下图可见，不同碰撞方向下，散射的结果是截然不同的——平行碰撞时，θ=180°附近产物很多，垂直碰撞时，θ=90°附近产物稍微占优。这也验证了我们之前的猜测。此时，如果想更多得到H₂产物，可以控制反应方向为平行碰撞。

反应物速度不同，带来的碰撞能量也是不一样的。举生活中的例子做类比：1. 两个步行的人对撞；2. 两辆高速行驶的汽车对撞。由于这两个过程中物体速度不同，因此撞击能量不同，碰撞带来的破坏力也有着很大的差别。

我们实际进行了三种碰撞能量下的实验，能量分别为0.5 eV，1.2 eV，2.07 eV。此处eV是电子伏特，将之转换为常见的温度单位开尔文(K)，则分别为5800 K，14000 K，24000 K，因此此处的碰撞能量是极高的。上图给出的是0.5 eV能量下的，剩余两种碰撞能量下的结果如下图所示。可见不同能量下，不同碰撞方向导致的结果也是明显不同的，碰撞方向对于这个反应有着巨大的影响，我们称这个现象为该反应具有强烈的立体效应。

我们还发现了罕见的量子干涉现象

张东辉、张兆军理论团队对于上述反应进行了量子计算模拟。理论分析表明：垂直碰撞时的HD分子包含m=0与m=2这两种量子态成分（m表示HD分子的转动角动量在反应物相对运动方向上的分量），因此，垂直碰撞的过程本质上是这两种量子态相干叠加的结果，这种量子叠加为反应带来了量子干涉效应。生活中常常可以见到水波的干涉，物理课本中也学过杨氏双缝干涉实验（光波的干涉）。

干涉示意图

而此处两种不同初始状态的反应物，得到相同终态产物时，也可以发生化学反应的干涉，这是物质波的干涉。下图为理论模拟的二维结果，横坐标为散射角度θ，纵坐标是所有量子态产物加和后的数量。理论计算给出了单独m=0、 m=2碰撞过程的结果，并且也展示了考虑干涉和不考虑干涉两种情况下的结果。可以看到干涉和无干涉的结果有着明显的差别，因此干涉对于碰撞结果产生了巨大的影响。在θ=80°附近，干涉显著增加了产物数量，因此此处发生了强烈的相长干涉。化学反应中的这种量子干涉现象也是极为特殊的，鲜有报道。

理论团队进一步给出了考虑干涉和不考虑干涉下，三维图像的结果，如下图所示，可以看到干涉对于不同量子态产物也产生了巨大的影响。

总结

通过宏观手段对于微观分子化学键的方向进行控制，这对于化学研究者而言是十分诱人且有趣的。经过近十年的发展，本团队终于取得了技术上的突破，实现了氢分子方向的控制，这让我们可以做氢分子的“掌舵人”。

将该技术应用于碰撞过程的研究之中，我们观测到碰撞方向对于化学反应的强烈影响。理论计算表明其中存在着强烈的量子干涉现象。这个工作结合高分辨的实验和高精度的理论模拟，为化学反应的精细立体动力学调控提供了一个很好的例子。

利用这一新技术，我们可以研究更多化学反应，探索反应对于不同碰撞方向的“喜好”。通过理论与实验双剑合璧，揭示更深层次的反应机理，为进一步操控化学反应、提高产率提供指导。相信在新技术的加持下，我们将在化学反应研究中扬帆起航，乘风破浪，开拓出更多成果。