物理学家发现化学反应中轨道形成的新规则

吸附在铜上的纯铜和对五苯基分子的光电子的实验动量分布（左）和自由分子和吸附分子在铜上的理论动量分布（右）。图片来源：尤利希/杨世宗、苏巴奇;格拉茨大学 / P. 普施尼格

吱吱作响，浑浊或球形 - 电子轨道显示电子在原子核和分子周围的位置和方式移动。在现代化学和物理学中，它们已被证明是量子力学描述和化学反应预测的有用模型。只有当轨道在空间和能量上匹配时，它们才能结合在一起——当两种物质在化学上相互反应时，就会发生这种情况。此外，正如Jülich研究中心和格拉茨大学的研究人员现在发现的那样，还有另一个必须满足的条件：化学反应的过程似乎也取决于动量空间中的轨道分布。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

化学反应最终只不过是电子键的形成和分解，电子键也可以被描述为轨道。因此，所谓的分子轨道理论使得预测化学反应的路径成为可能。化学家福井健一和罗尔德·霍夫曼于1981年获得诺贝尔奖，因为他大大简化了该方法，导致其广泛使用和应用。

“通常，分析电子的能量和位置。然而，使用光发射断层扫描方法，我们研究了轨道的动量分布，“Serguei Soubatch博士解释说。他与尤利希的彼得·格林伯格研究所（PGI-3）和奥地利格拉茨大学的同事一起，在一系列实验中吸附了金属表面上的各种类型的分子，并在所谓的动量空间中绘制了测量的动量。

“我们测量的金属上许多不同分子的光发射也可以从理论上预测。作为一个模型，人们只是使用不与金属相互作用的自由分子。但是当我们测量铜上的寡苯基时，我们突然意识到实验结果与理论预测有很大不同。动量空间的某些部分仍然无人居住，“苏巴奇说。这些动量区域与通常发生在贵金属中的电子态的已知带隙相匹配。而其中涉及的材料之一，铜，也是这样一种贵金属。

对于这项工作，研究人员在意大利的里雅斯特的Elettra同步加速器进行了实验。在那里，由Jülich研究中心领导的一个国际财团在光束线上操作NanoESCA光谱仪，其中包含用于轨道断层测量的光发射电子显微镜。这项工作是与迈克尔教授合作进行的。G.拉姆齐和格拉茨大学的理论家彼得·普施尼格教授。通过对整个相互作用系统（分子和金属表面）的量子力学模拟，Peter Puschnig为解释新发现的选择标准提供了关键。

更多信息：杨晓生等，动量选择轨道杂交，自然通讯（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-32643-z

期刊信息：自然通讯