超冷分子之间的反应揭示了量子统计学的局限性

美国和中国的研究人员公布了超冷钾铷二聚体的研究结果，首次展示了量子效应如何导致与量子统计模型(物理化学的经典理论之一)的偏差。

化学反应本质上是一组电子轨道向另一组电子轨道的高度复杂的量子转换，但在此基础上模拟反应所需的方程通常是我们无法解决的。因此，化学家依靠多重近似来确定反应的路径。

当原子或分子发生反应时，可以产生各种平移、旋转、振动和高能量子态的产物。产生哪种状态取决于反应物状态中的能量如何影响瞬间形成的中间复合物。这些中间复合物可以有数百种不同的量子态，许多会导致相同的生成物态。反应动力学中一个流行的假设是每个中间量子态都是等可能的。因此，产生特定生成物态的中间量子态越多，形成特定生成物态的可能性就越大。

在他们最新的研究中，Kang-Kuen倪来自哈佛大学的研究人员和同事们在光学阱中将钾铷二聚体(KRb)冷却到它们的量子基态——接近绝对零度。当两个KRb二聚体碰撞时，它们可以反应生成单独的钾(K₂)和铷(Rb₂)分子。这个反应是放热的，即使在500nK的温度下也能自发发生。研究人员绘制了产物57种可能量子态的统计分布，将同一反应的产物进行关联，并观察结果与统计预测的偏差。

研究人员发现，产物具有非常高的角动量的一种状态被强烈抑制。他们认为，这是因为，有这么多的能量进入产物的旋转，没有足够的平动动能来让分子很好地逃脱它们的势能并分裂。因此，这种反应可能永远不会完成。除了这个极端的例子，与统计模型相比，生成物二聚体具有高且非常相似的角动量的生成物状态更受青睐。然而，其原因尚不确定，因为该团队无法进行完全的量子模拟来预测结果。

这是他们清单上的下一个。研究人员现在正计划研究一个更简单的系统，在这个系统中，原子与分子发生反应。倪说，在这种情况下，精确计算更容易处理。“如果我们能在一个理论易于处理的系统中实现同样程度的细节，我们就能看看实验和理论是否吻合。”

超冷的化学家马修·弗莱英国杜伦大学教授认为，这项工作标志着重要的一步。他说:“这是康坤做的一个很棒的实验，同时检测两种产物状态是非常了不起的。”“这让我们能够在化学反应上剥开更多的洋葱层，去掉一层又一层的平均:现在它确实是一个州与州之间的事情。”

弗莱说:“普通的实验室化学家，大多数物质都处于固态或液态，可能不会遇到这么多。”“但在大气化学和太空化学等领域，这些理论可能非常重要。”