Димер магния (Mg2) представляет собой хрупкую молекулу, состоящую из двух слабо взаимодействующих атомов, удерживаемых вместе законами квантовой механики. Недавно он появился как потенциальный зонд для понимания фундаментальных явлений на стыке химии и физики ультрахолода, но его использованию помешала загадка полувековой давности - пять высоколежащих колебательных состояний, в которых содержится ключ к пониманию того, как атомы магния взаимодействуют, но ускользают от обнаружения в течение 50 лет.
Четырнадцать самых низких колебательных состояний Mg2 были обнаружены в 1970-х годах, но как ранние, так и недавние эксперименты должны были наблюдать в общей сложности девятнадцать состояний. Как и в случае с квантовым холодом, экспериментальные попытки найти последние пять не увенчались успехом, и Mg2 был почти забыт. До сих пор.
Пиотр Пьекух, заслуженный профессор Мичиганского государственного университета и профессор химии Фонда МГУ, вместе с аспирантами факультета химии Колледжа естественных наук Стивеном Х. Ювоно и Илиасом Магуласом разработали новое, полученное с помощью вычислений доказательство, которое не только сделало квантовый скачок в первых принципах квантовой химии, но, наконец, разрешил 50-летнюю загадку Mg2.
Их выводы были недавно опубликованы в журнале Science Advances.
«Наше тщательное исследование димера магния однозначно подтверждает существование 19 колебательных уровней», - сказал Пикух, чья исследовательская группа занимается квантовой химией и физикой более 20 лет. «Путем точного расчета кривых потенциальной энергии основного и возбужденного состояний, функции дипольного момента перехода между ними и колебательно-колебательных состояний мы не только воспроизвели последние спектры лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), но и предоставили рекомендации на будущее. экспериментальное обнаружение ранее не разрешенных уровней."
Так почему же Пьекух и его команда смогли добиться успеха там, где другие терпели неудачу в течение стольких лет?
Настойчивость Ювоно и Магуласа, безусловно, возродила интерес к делу Mg2, но ответ заключается в блестящей демонстрации группой предсказательной силы современных методологий электронной структуры, которые пришли на помощь, когда эксперименты столкнулись с непреодолимыми трудностями.
«Присутствие столкновительных линий, возникающих при столкновении одной молекулы с другой, и фоновый шум искажали экспериментально наблюдаемые спектры LIF», - объяснил Пикух. «Что еще хуже, неуловимые высоколежащие колебательные состояния Mg2, которые десятилетиями сбивали с толку ученых, растворяются в воздухе, когда молекула начинает вращаться».
Вместо того, чтобы проводить дорогостоящие эксперименты, Пикух и его команда разработали эффективные вычислительные стратегии, моделирующие эти эксперименты, и они сделали это лучше, чем кто-либо раньше.
Как и в случае с квантованными колебательными состояниями Mg2, промежуточные приближения неприемлемы. Они решили электронные и ядерные уравнения Шредингера, принципы квантовой физики, описывающие молекулярные движения, почти с полной точностью.
«Большинство расчетов в нашей области не требуют высоких уровней точности, которых мы должны были достичь в нашем исследовании, и часто прибегают к менее дорогим вычислительным моделям, но мы представили убедительные доказательства того, что здесь это не сработает», - Пьекух. сказал. «Мы должны были рассмотреть все мыслимые физические эффекты и понять последствия пренебрежения даже мельчайшими деталями при решении уравнений квантовой механики».
Их расчеты воспроизвели экспериментально полученные колебательные и вращательные движения Mg2 и наблюдаемые спектры LIF с замечательной точностью - порядка 1 см-1, если быть точным. Это дало исследователям уверенность в том, что их предсказания относительно димера магния, включая существование неуловимых высоколежащих колебательных состояний, были твердыми.
Ювоно и Магулас были явно в восторге от новаторского проекта, но подчеркнули, что изначально сомневались в успехе команды.
"Вначале мы даже не были уверены, сможем ли мы провести это исследование, особенно учитывая количество электронов в димере магния и крайнюю точность, требуемую нашими современными вычислениями", - сказал Магулас, проработавший в исследовательской группе Пьекуха более четырех лет и преподающий курсы квантовой химии для старшеклассников в МГУ.
«Вычислительные ресурсы, которые нам пришлось задействовать в проекте, и количество данных, которые нам нужно было обработать, были огромны - намного больше, чем все мои предыдущие вычисления вместе взятые», - добавил Ювоно, который также преподает курсы физической химии в МГУ. и работает в исследовательской группе Пекуха с 2017 года.
Дело о высоколежащих колебательных состояниях Mg2, которое полвека ускользало от внимания ученых, окончательно закрыто, но детали вычислений, которые его раскрыли, полностью открыты и доступны на сайте Science Advances. Ювоно, Магулас и Пьекух надеются, что их расчеты вдохновят на новые экспериментальные исследования.
«Квантовая механика - это красивая математическая теория, способная объяснить мельчайшие детали молекулярных и других микроскопических явлений», - сказал Пьекух. «Мы использовали загадку Mg2 как возможность продемонстрировать, что предсказательная сила современных вычислительных методологий, основанных на первых принципах квантовой механики, больше не ограничивается небольшими частицами с небольшим количеством электронов».