Ny metode kan modellere kemi i ekstreme magnetfelter hos hvide dværge

De fleste stjerner bliver hvide dværge, når de når slutningen af ​​deres stjernelivscyklus. Astrofysikere bestemmer, hvilke grundstoffer der er til stede i disse kollapsede stjerner ved at sammenligne spektre observeret fra rummet med enten eksperimentelt genskabte spektre målt i laboratorier på Jorden eller teoretiske spektre genereret ved hjælp af computermodeller baseret på kvantekemiske principper. Over tid, de har fundet ud af, at hvide dværge ikke kun indeholder elementer som brint og helium, men også ilt, silicium, fosfor, kulstof og kulstofholdige forbindelser.

Cirka 10 til 20 procent af disse hvide dværge udviser stærke magnetiske felter.

"Styrken af ​​magnetfeltet i nogle hvide dværge kan nå op til 100, 000 Tesla, "sagde Stella Stopkowicz, en teoretisk kemiforsker ved Institute for Physical Chemistry ved University of Mainz i Tyskland.

Sammenlignet med, på jorden, de stærkeste magnetfelter, der kan genereres ved hjælp af ikke -destruktive magneter, er omkring 100 tesla. Derfor, at studere kemien under sådanne ekstreme forhold er kun mulig ved hjælp af teori og har indtil nu ikke givet megen indsigt i spektrene, der ledsager disse hvide dværge. Stopkowicz og hendes kollega, Florian Hampe, beskrive deres arbejde med modellering af disse systemer i denne uge i Journal of Chemical Physics , fra AIP Publishing.

"Med disse betydelige feltstyrker, magnetiske og coulombiske kræfter i atomet eller molekylet bliver lige vigtige, "Stopkowicz sagde." Magnetfelter ændrer radikalt den elektroniske struktur af atomer og molekyler radikalt, således at deres kemi under disse betingelser i dag stort set er ukendt. Dette gør fortolkningen af ​​observationsspektre udfordrende, da de ser meget anderledes ud end dem, der opnås under jordlignende forhold. At udforske dette problem blev et vigtigt fokus for vores forskning."

"Den første meget præcise teoretiske tilgang til undersøgelse af virkningen af ​​et stærkt magnetfelt på den elektroniske struktur af atomer og molekyler var metoden 'Full Configuration-Interaction' (FCI) (også kendt som nøjagtig diagonalisering). Desværre, denne metode er kun anvendelig for systemer med meget få elektroner såsom brint, helium, lithium og beryllium, "Stopkowicz sagde." FCI er beregningsmæssigt for dyrt til at undersøge større atomer såsom ilt og molekyler som små kulbrinter og deres tilsvarende ioner som CH+. "

Stopkowicz og hendes kolleger har derfor koncentreret sig om forskellige metoder, der er mere bredt anvendelige, mens den stadig bevarer den ønskede nøjagtighed til at håndtere atomer og molekyler i nærvær af stærke magnetfelter.

"Ved at bygge på tidligere arbejde, som vi har udført på området, vi har tilpasset metoden 'Equation of Motion Coupled-Cluster (EOM-CC)', der kan bruges til at få adgang til de elektronisk eksiterede tilstande i atomer og molekyler til at håndtere stærke magnetfelter, "Sagde Stopkowicz. Vi udviklede derefter et computerprogram, der inkorporerede denne metode til at hjælpe os med at beregne excitationsenergier; dette var et vigtigt skridt i retning af forudsigelse af spektre."

"I den næste fase, vi vil implementere overgangsdipolmomenter, som vil gøre det muligt at beregne teoretiske spektre for atomer i stærke felter, "Stopkowicz sagde." Astrofysikere kan sammenligne disse teoretiske spektre med observationsspektre og fortolke, hvilken slags atomer og molekyler der kan være til stede i magnetiske hvide dværge. "

Arbejdet er også gavnligt for to andre forskningsområder.

Først, det fremmer forståelsen af ​​kemiske ændringer i atomer og molekyler under ekstreme forhold, hvor magnetiske kræfter modbalancerer Coulombiske kræfter. Dette er et vigtigt område af grundlæggende kemiforskning, hvor for eksempel, nye fænomener støder på såsom "Perpendicular Paramagnetic Bonding" - en ny type kemisk binding, der ikke forekommer på Jorden.

Sekund, de nøjagtige data opnået ved hjælp af denne metode kan hjælpe med udviklingen af ​​bedre funktionaliteter til beregning af magnetiske egenskaber i densitetsteori, en meget udbredt metode inden for beregningskemi.

"Vores største udfordring er, at vi undersøger noget, der tidligere ikke var udforsket. Det er også det, der gør dette arbejde så interessant, "Stopkowicz sagde." Resultaterne fra beregningerne er ofte overraskende og ikke nødvendigvis intuitive. Når vi får noget nyt, vi er nødt til at give mening om det. "

Fremadrettet, Stopkowicz og hendes kolleger vil fortsætte deres arbejde med de centrale komponenter, der er nødvendige for at generere teoretiske spektre for atomer og molekyler i stærke felter.

"Der er stadig meget arbejde at gøre, "Stopkowicz sagde, "men vores vision er at bidrage til den større videnskabelige indsats for at afsløre sammensætning og kemi af magnetiske hvide dværge."