有史以来，最冷的Nature！

化学反应在最基础的水平上，就是量子力学过程，通过该过程将反应物转化为产物。因此，反应的完整表征需要对反应物和产物进行量子态解析。

长期以来，研究人员一直梦想跟踪化学反应，从反应物分子的单一量子态到所有可能的量子态的产物，以了解在最基本的水平上驱动化学的量子动力学。这种实验得到的宝贵数据可以直接与理论结果进行比较，从而得出反应的量子机理。

在过去的十年中，在绝对基态的超冷分子已经成为一个强大的平台，可以完全控制反应物的各种内部自由度。这意味分子处于最低的电子、转动、振动能量态，平动动能及其小，低至10^–10 eV。此外，超冷分子之间的碰撞发生在单个最低允许分波（s或p波）处。使用这些高度受控的分子，对整体反应速率的研究以前所未有的分辨率揭示了远距离作用力和散射共振的影响。然而，在状态间水平下对这些超冷反应的完整表征仍然具有挑战性，迄今为止，进展仅限于弱结合系统，这要求一种用于检测反应产物的量子态信息的综合方法。

超冷反应对当前的反应动力学理论提出了挑战，并可能在其发展的下一阶段发挥关键作用。一方面，在超低温下制备反应物会在仅涉及三个或四个原子的反应中引起高度复杂的动力学。例如，最近对超冷双碱之间反应的研究表明，所涉及的瞬态中间体络合物可能存在数百万个分子振动，而要进行此类动力学的精确计算，则需要超越当前技术水平的计算能力。另一方面，这些小尺寸的系统使其有利于分析完整产物量子状态分布。当与确定性反应物状态制备结合时，这种测量为将来的理论提供最精确的基准集。尽管超冷反应的复杂性阻碍了精确的量子计算，但统计理论为表征其动力学提供了一种可行的选择。一旦通过验证和基准测试，就可以使用量子动力学计算来对更复杂的反应进行建模。

有鉴于此，哈佛大学Kang-Kuen Ni和Yu Liu等人研究了在电子振动基态下超冷（500 nK）KRb分子之间置换反应（ 2KRb → K₂ + Rb₂）的全产物态分布。使用结合了量子态选择性电离和重合离子成像的检测方案，他们探测了由相同反应而出现的成对产物（K₂和Rb₂）。通过完全控制超冷反应物的初始量子自由度，研究人员测量出57个产物旋转状态对的散射概率。通过假设测试，将所得分布与基于统计理论的状态计数模型进行定量比较。该测试表明，对于包含50个状态对的子集，测量值与模型之间具有良好的一致性，但是发现多个状态对存在显著差异。特别是，对于具有最低平移能的产物，观察到了高度抑制的散射概率，这证明了远程电位对产物形成的影响。测量的完整性为当前超出现有水平的量子动力学计算提供了基准。

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图1：KRb分子间超冷反应的能级和产物量子态

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图2：反应产物的状态分辨重合检测

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图3：实测产品状态分布，并与统计理论的比较

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图4：在能量阈值附近，远程电位对产物形成的影响

相关结果以“Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry”为题发表在Nature上。

Liu, Y., Hu, MG., Nichols, M.A. et al. Precision test of statistical dynamics with state-to-state ultracold chemistry. Nature 593, 379–384 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03459-6

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