科学家们揭示了量子干涉和对称性如何决定分子在与金表面碰撞时的行为，提供了对分子相互作用的新见解。这一发现对化学和材料科学可能具有重要意义。
塑造分子碰撞的量子规则现在逐渐清晰，为化学和材料科学提供了新的见解。
当分子与表面碰撞时，分子与组成表面的原子之间会发生复杂的能量交换。但是在这种令人眼花缭乱的复杂性之下，量子力学（今年庆祝其100周年）支配着这一过程。
量子干涉，尤其发挥着关键作用。当分子可以采取的不同路径重叠时，就会发生量子干涉，导致特定的相互作用模式：一些路径相互增强，而另一些则完全抵消。这种“波的舞蹈”影响分子如何与表面交换能量和动量，并最终影响它们的反应效率。
然而，直到现在，观察较重分子（如甲烷（CH4））与表面的碰撞中的量子干涉几乎是不可能的，因为可供系统选择的路径数量庞大，导致不同的碰撞结果。许多科学家甚至曾怀疑所有量子效应是否总会在这些过程中“消失”，以至于适用于日常“宏观”物体的经典物理简单法则可能足以描述它们。
在应对观察甲烷与表面的碰撞中量子干涉的挑战时，EPFL的Rainer Beck团队与德国和美国的同事们开发了一种方法，以穿透复杂性。他们将甲烷分子调谐到特定的量子状态，散射到金（Au）表面，并测量碰撞后的状态。
结果发表在Science上，揭示了清晰的量子干涉模式，挑战了有关分子行为的假设，并提供了研究这些相互作用的新方法。
金矿热
该团队并没有使用任何块金作为散射表面；他们使用了一种经过精心培育的金样品，使其完全晶体化，然后沿特殊方向切割，以显示名为“Au(111)”的表面，该表面原子级平滑且化学惰性。他们还在实验过程中保持表面在超高真空下，以防止在正常环境条件下存在的气体颗粒的污染。
Au(111)表面的卓越平整度和洁净度确保观察到的散射行为源自基本的量子波动特性，而不是来自随机的表面不规则性或杂质，使团队能够专注于干涉效应。
激光聚焦
研究人员随后使用基于激光的技术精准控制甲烷分子在与金表面碰撞前的量子状态，并测量碰撞后分子所处的量子状态。甲烷分子自然存在于各种不同的能量状态中，这意味着它们的内部振动和旋转各不相同。因此，为了确保所有分子都从同一明确的量子状态开始，研究人员首先用泵激光照射甲烷分子束，使它们激发到一个明确的量子状态。
然后，他们将这束甲烷分子瞄准一个崭新的Au(111)表面，在那里发生碰撞和散射。碰撞后，团队用调谐到特定能量水平的标记激光照射散射分子。如果某个分子处于匹配的量子状态，它会吸收激光的能量，从而在散射分子中产生微小的温度变化，研究人员可以通过一种称为 bolometer 的高灵敏度探测器进行测量。
量子干涉揭示
科学家们使用这种方法找出甲烷分子在与金表面碰撞后所处的量子状态。当他们将结果与量子理论进行比较时，发现对称性决定了哪些跃迁是允许的，哪些是禁止的。
简单来说，对称性描述了在翻转、旋转或反射时某物如何保持不变。在量子世界中，每个分子的状态都有特定的对称性，而状态之间的跃迁必须遵循严格的对称性规则。
如果甲烷分子的两个状态具有不兼容的对称性，那么在这两个状态之间采取的不同路径将相互抵消。在这种情况下，跃迁根本没有发生——就像试图穿过通往砖墙的门一样。但是，当这些状态具有兼容的对称性时，路径互相增强，跃迁强大且清晰可见——就像房间之间的门对齐，允许顺畅移动。这证实了量子干涉不仅仅是一个抽象概念，而是积极控制着分子在表面的行为。
双缝实验的联系
在他们的论文中，作者巧妙地将其比喻为著名的双缝实验，在该实验中，像电子这样的粒子在通过两个缝时会产生干涉图样，表现出像波一样的行为，就如同甲烷分子在这里展现的干涉现象（见图像）。
具体而言，该研究揭示了一种分子散射中的新型量子干涉。与更熟悉的“衍射”干涉（影响散射角度，如在双缝实验中）不同，这里的干涉影响了甲烷分子的旋转和振动状态，抑制了一些跃迁而增强了其他跃迁。
这项研究展示了自量子力学出现100年以来，分子-表面相互作用中量子波动效应的最清晰例证之一，为表面化学、清洁能源催化剂和高效工业过程的发展铺平道路。它们还为探索基本和应用科学中的分子相互作用提供了一个新框架。
