分子双缝干涉！
牛顿与惠更斯曾对光是粒子还是波进行过激烈的争论，直到1801年，当托马斯·杨在双缝实验中证明了光的波动性时，分歧似乎得到了解决。这种对光的“非黑即白”的错误理解一直持续到1927年，直到当时克林顿·戴维森和莱斯特·格默通过电子展示了波粒二象性的可能性（量子力学中最重要的发现之一）。波粒二象性已经在使用不同系统的无数实验中得到证明。然而，将近一个世纪后，科学家们仍在努力解决如何预测更复杂系统中波状干扰的影响，例如那些涉及原子和分子之间非结合相互作用的系统（空间效应）。
鉴于此，斯坦福大学的Richard N. Zare教授课题组展示了空间控制的氘分子(D2)和氦原子(He)之间低能非弹性双分子碰撞的观察结果。他们使用斯塔克诱导的绝热拉曼通道（SARP），通过在双轴(v=2, j=2)状态下旋转振动激发分子氘(D2)来构建量子力学双缝干涉仪，其中v和j分别表示振动和旋转量子数。在D 2( v=2, j=2)→D 2( v=2, j'=0)通过与基态氦的冷碰撞产生旋转弛豫，双轴状态中的两个相干耦合键轴方向充当两个狭缝，产生两个无法区分的量子力学路径，连接碰撞系统的初始状态和最终状态。当研究人员通过分别构建D2的单轴态来解耦键轴的两个方向时，干涉消失了，明确地建立了双轴态的双缝作用。这种双缝为分子碰撞的相干控制开辟了新的可能性。相关研究成果以题为“Quantum mechanical double slit for molecular scattering”发表在《Science》上。第一作者为Zhou Haowen。
【分子双缝实验演示】
为了研究与SARP制备的单轴和双轴状态的冷碰撞，作者使用Even-Lavie脉冲阀将D2和He（比例1:10）的混合物扩展到单个超声束中。分子键轴的方向使用泵浦和斯托克斯激光脉冲的偏振方向进行控制，并相对于具有坐标轴X、Y和Z Lab的实验室固定框架进行定义。图1描述了实验安排，并给出了SARP激发的示意图，以准备单轴（图1A）和双轴（图1B）状态。图1A显示了D 2( v=2, j=2)的制备。图1B显示了使用具有交叉极化泵谱和斯托克斯激光场的SARP制备双轴状态XSARP。研究人员通过波函数的计算表明，这种相位相干性导致散射D 2( v=2, j'=0)的强度分布发生强调制，与双缝导致干涉条纹的方式相同。
图 1. 通过结合泵浦和斯托克斯激光脉冲的不同偏振，制备D2(v=2,j=2)的单轴和双轴状态的SARP
作者通过实验确定混合分子束中D 2-He散射的碰撞速度分布（图2A）。图2B显示了质心坐标系散射角到实验室坐标系散射角的转换示意图。图2C表明对于 β Lab=π/4制备的示意图，速度组看到质心取向 β r=π/4，而速度组看到质心取向 β r=-π/4。
图 2. 对称碰撞速度分布对散射测量的影响
图 3A显示了使用单轴排列获得的实验散射数据。图 3B显示了双轴状态下测得的散射强度。显然，双轴态散射中存在的双缝干涉在 90° 附近产生了散射强度的强调值。通过之前确定的旋转非弹性散射 D 2 ( v = 2, j = 2) → D 2 ( v = 2, j ' = 0)的散射矩阵，作者使用方程计算散射强度。计算出的散射强度叠加在实验数据上，如图 3为单轴和双轴排列。
图 3. 通过为D2(v=2,j=2)的键轴准备双轴和单轴状态来演示双缝
【原理解释】
作者测量了D2和He之间的非弹性旋转能量传递过程。在实验的一半中，处于双轴状态的D2分子与He原子碰撞，而对于另一半，使用处于单轴状态的D2分子。在这两种情况下，使用共振增强多光子电离检测散射的D2分子，并通过飞行时间质谱法确定它们的速度分布。此外，由于质心坐标系与传入D 2的移动参考坐标系重合当分子与He原子碰撞时，作者可以从实验测量的速度分布中提取散射的D 2分子的散射角分布。
在制备单轴状态的D2分子时，分子的键轴从质心碰撞轴倾斜至+45°或-45°。然而，当为双轴状态准备分子时，双轴状态分子的键轴变成+45°和-45°的叠加（图4）。
在量子力学术语中，双轴态的散射应该有两条无法区分的碰撞路径，它们通过量子干涉相互作用。本文观察到双轴状态的非弹性散射角分布与两个单轴状态相比存在明显差异。在两种单轴状态的情况下，D2和He之间的散射一次只能发生在一个单轴D2分子上。这会产生类似于使用光的单缝衍射图案的散射角分布。相反，双轴状态D2是包含两个方向的叠加态，因此产生类似于光的双缝干涉图案的散射角分布。这种不同散射模式的直接比较证明了双轴D2分子和He原子在碰撞过程中之间的强量子干涉。
图4. 分子碰撞中观察到的双缝干涉图案
【总结】
作者通过制备处于双轴状态的旋转振动激发的D2(v=2,j=2)分子，创造了一个量子力学双缝。双轴状态下相干耦合的键轴方向导致两条无法区分的路径，将Δj=2旋转非弹性D2-He碰撞的输入状态和最终状态连接起来。因此，它们充当双缝干涉仪的两个缝。这种双缝干涉表现为旋转弛豫D 2( v=2, j′=0)。为了证明观察到的干涉是由双轴状态的双缝作用引起的，作者通过单独构建包含在双轴状态叠加中的每个单轴状态，一次测量一个缝的影响。单独测量单个狭缝的贡献相当于在双轴状态下解耦轴。当将每个狭缝测量的散射角分布相加时，结果与双轴状态的结果明显不同。这种差异显然是由两个方向的量子力学干涉引起的，这两个方向充当两个狭缝，明确地建立了双轴状态的双狭缝作用。
同时，作者展示了一种通过泵浦激光偏振和斯托克斯激光偏振的不同组合控制分子D2对齐的有效方法。该技术可用于研究化学反应立体动力学的未来实验，即化学键的排列或方向如何影响分子碰撞和化学反应。例如，未来使用交叉分子束的散射实验可能会提供关于化学过程（如H+HD→H 2+D反应）中空间效应的动力学起源的关键见解。“双缝”方法提供了一种通过键轴的排列或方向连贯控制分子碰撞的新方法，并可能为化学反应的量子控制带来其他机会。
作者简介：
Richard N. Zare，八院院士，国际著名物理化学，分析化学家，美国斯坦福大学化学系系主任。1964年获哈佛大学博士学位，1965年任麻省理工学院助理教授，1968年被授予副教授，1969年受聘哥伦比亚大学教授（29岁），后聘入斯坦福大学，现任斯坦福大学化学系系主任，1976年当选美国科学院院士和美国艺术与科学院（AAAS）院士（37岁），2004年当选中国科学院外籍院士、欧洲科学院，瑞典皇家学院、英国皇家学会、印度科学院等科学院院士，2009年当选为发展中国家科学院（第三世界科学院）通讯院士，2011年被授予中科院爱因斯坦讲座教授、日本分析化学会荣誉会员。他还获得了11个荣誉博士学位，Zare教授已在Science, Nature, PNAS, JACS, Angew. Chem.，Phys. Review Letts.等杂志发表论文900余篇。Richard N. Zare因其在激光化学领域的研究而闻名于世，近年来在超微量分析化学领域取得显赫成就。
来源：高分子科学前沿
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