墨子杰出博士后-量子信息与量子科技前沿协同创新中心.PDF

墨子杰出博士后、中心优秀博士后暨 2014 年度中心杰出研究生奖获得者 简介 量子信息与量子科技前沿协同创新中心 二〇一五年一月 墨子杰出博士后简介 汪涛，墨子杰出博士后（Micius Research Fellow ），男，1986 年 12 月出生。2008 年7 月于中国科学技术大学获学士学位，2014 年10 月于中国科学院大学获博士学位，同年在中国科学技术大学开始进行博 士后研究工作，从事态-态反应动力学的研究。曾获得中国科学院院长 特别奖（2014 年）、大连化物所-延长石油奖学金一等奖（2014 年）、量 子信息与量子科技前沿协同创新中心杰出研究生奖（2013 年）等奖励。 已取得的主要研究成果如下。 1、分波共振态的观测。 分波是量子散射过程中具有特定总角动量的散射态。化学反应本质 上是一个散射过程，可以看作一系列分波的总和。在过渡态区域，分波 描述了反应体系的转动情况，包含了反应过渡态最细致的动力学信息。 但是，在化学反应中由于能量展宽等原因，来自多个分波的贡献往往叠 加在一起，即使完全量子态分辨的交叉束实验测量的微分截面也是不同 分波叠加后的平均值，无法分辨单个分波的结构。张东辉研究员基于高 精度势能面的量子动力学计算，从理论上提出，在较高的实验分辨率下， 有可能在 F+HD→HF+D 反应的产物 HF(v=2) 的某些转动态布居随碰 撞能变化的曲线中，观测到振荡结构。这一振荡结构的根源是该反应中 的分波共振，可以作为检测势能面过渡态区域的准确程度的更精细的手 段，此前还从来没有人曾在实验上明确地观测到化学反应的分波共振结 构，这是非常具有吸引力的理论预言，同时在实验上也是很大的挑战。 我们通过把两个分子束源同时冷却到液氮的温度下，使实验的能量分辨 率到达了前所未有的水平，最终在转动态分辨的后向微分散射截面随碰 撞能变化的曲线中观测到振荡结构，与理论预期几乎完全一致。这是首 次在实验上直接观测到化学反应中的分波共振态，同时也证明了对于这 一反应，理论计算所用的势能面具有极高的精度[Science 327, 1501 (2010)] 。 2 、四原子反应动力学研究。 在分子反应动力学研究中，OH+H →H O+H 反应被认为是四原子 2 2 反应的典型范例。我们在实验上测量了其同位素反应OH+HD→H2O+D 的微分散射截面以及后向微分截面随碰撞能变化的曲线，都与理论计算 吻合。该项工作是分子反应动力学的一个重要里程碑，首次在四原子反 应中，理论和实验的微分截面达到很好的符合，证明了这一体系量子散 射计算已经能够精确地模拟四原子反应[Science 333, 440 (2011)]。 3 、振动激发对化学反应的影响。 在许多重要的燃烧、大气、星际化学反应过程中，振动激发的反应 物分子广泛存在并扮演了重要的角色。分子振动对化学反应有何影响的 问题，一直以来受到人们的关注。在过去几十年中，氢分子参与的反应， 例如 H/F/Cl/OH+H2 ，在动力学领域被认为是基准的模型反应而被广泛 研究。通过研究氢分子的振动激发对这些基准反应的影响，比较基态和 激发态的氢分子在反应中的区别，将能够极大的加深我们对化学反应的 理解。国际上有很多研究组曾尝试用拉曼激发的方法制备振动激发的氢 分子，但激发效率很低，无法满足分子束实验的要求。通过调研，我们 发现氢分子激发效率难以提高的根源在于，分子束中的氢分子具有极窄 的拉曼谱线，而商业化激光器的波长稳定性不够、激光线宽过宽，在以 往的拉曼激发中，只有极小一部分的激光是有效的。 汪涛等人负责研制了一套窄线宽（单纵模）、高脉冲能量的激光系 统，能够产生630 - 700nm 的单纵模脉冲激光，线宽小于0.006 波数， 中心波长的稳定性在0.003 波数以内，单脉冲能量最高可达60mJ 。利 用该激光系统，能够将HD 分子高效地从基量子态(v=0, j=0)激发至振 动激发态(v=1, j=0)，激发效率超过90% ，首次验证