近日，我所化学反应动力学全国重点实验室杨学明院士、肖春雷研究员实验团队，联合张东辉院士、刘舒研究员理论团队，在H+HD(v=1)→H2+D反应过渡态的结构与性质研究中取得新进展。
化学反应的关键是过渡态，直接探测化学反应过渡态的结构与微观动力学，是分子反应动力学领域的核心目标与长期挑战。一般来说，过渡态的寿命极短，缺乏明确的结构，因此难以观测。量子瓶颈态（Quantum Bottleneck State）是存在于反应势垒附近、垂直于反应坐标的一系列量子态，调控着通向产物的反应通量。与Feshbach共振态类似，量子瓶颈态也会在过渡态区域引起时间延迟，进而影响宏观可观测的物理量，为观测和理解过渡态提供了重要的契机。不同的是，该延迟源于反应体系在振动绝热势垒顶部运动速度的降低，而非由于被束缚在振动绝热势阱中。氢交换反应被公认为自然界中最简单的化学反应，其过程被认为受过渡态区域多个量子瓶颈态调控。尽管在氢交换反应中量子瓶颈态的存在已被实验证实，但其能级序列的直接测量尚未实现。
在前期工作中，研究团队发现后向散射谱能够较好地保留态-态反应几率中的振荡结构，已用于探测Feshbach共振态及量子干涉效应，因此也适用于对量子瓶颈态开展直接测量。在本工作中，研究团队聚焦于振动激发的H+HD(v=1, j=0)→H2+D反应，结合高分辨的交叉分子束散射实验与高精度的量子动力学计算，通过产物振转态分辨的后向散射谱中的振荡结构，提取了量子瓶颈态的振动能级序列，这些能级直接对应于反应路径所经过振动绝热势的势垒高度。
该研究实现了对反应过渡态区域结构的直接探测，证实了振动绝热势是描述过渡态附近动力学行为的简洁而有效的模型。研究还揭示，与可揭示过渡态区域所有量子瓶颈态的累加反应几率不同，在反应截面上可观测到的量子瓶颈态依赖于反应的初始态。
相关研究成果以“Direct Measurement of a Sequence of Quantized Bottleneck States in the H + HD(v = 1) → H2 + D Reaction”为题，于近日发表在CCS Chemistry上。该工作的第一作者为深圳先进光源研究院谢雨润副研究员和我所1102组已毕业博士王威。该工作得到了国家自然科学基金，中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”和“面向化学研究新范式的精准智能化学”、科技部科技创新2030-重大项目等项目的支持。（文/刘舒 图/谢雨润）
