Kvanteberegning løser en gammel gåde:At finde vibrationstilstandene for magnesiumdimer

Magnesiumdimerens høje vibrationstilstande (Mg ₂ ) er et vigtigt system i studier af grundlæggende fysik, selvom de har unddraget sig eksperimentel karakterisering i et halvt århundrede. Eksperimentelle fysikere har indtil videre løst de første 14 vibrationstilstande af Mg _2, på trods af rapporter om, at grundtilstanden muligvis understøtter fem yderligere niveauer. I en ny rapport, Stephen H. Yuwono og et forskerhold i afdelingerne for fysik og kemi ved Michigan State University, OS., præsenterede meget nøjagtige initiale potentielle energikurver for jorden og exciterede elektrontilstande af Mg ₂ . De centrerede de eksperimentelle undersøgelser om beregninger af state-of-the-art koblet-klynge (CC) og fuld konfiguration interaktionsberegninger af Mg ₂ dimer. Grundtilstandspotentialet bekræftede eksistensen af ​​19 vibrationstilstande med minimal afvigelse mellem tidligere beregnede rovibrationsværdier og eksperimentelt afledte data. Beregningerne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt og give vejledning til eksperimentelt at detektere tidligere uafklarede vibrationsniveauer.

Baggrund

Svagt bundet jordalkali (AE ₂ ) dimerer kan fungere som sonder for fundamentale fysikfænomener, såsom ultrakolde kollisioner, dopede helium nanodråber, binære reaktioner og endda optiske gitterure og kvantetyngdekraft. Magnesiumdimeren er vigtig til sådanne anvendelser, da den har adskillige ønskelige egenskaber, herunder ikke-toksicitet og fravær af hyperfin struktur i de mest udbredte ²⁴ Mg isotop, der typisk letter analysen af ​​binære kollisioner og andre kvantefænomener. Imidlertid, status for Mg ₂ som en prototype tungere AE ₂ arter er kompliceret, da forskere ikke har været i stand til eksperimentelt at karakterisere dens høje vibrationsniveauer og potentiale for energipurve (PEC) i så lang tid.

Eksperimentelle detektionsvanskeligheder opstod fra flere faktorer, herunder små energigab, rotationseffekter mellem høje vibrationer og ugunstige signal-til-støj-forhold i spektre. I 1970, fysikerne Balfour og Douglas opnåede først højopløselige fotoabsorptionsspektre af Mg ₂ og viste eksistensen af ​​ekstra vibrationstilstande (v) med v"> 12. I 1973 blev et forskerhold identificerede v ″ =13 niveauer og en resulterende potentiel energikurve, der understøtter 19 vibrationstilstande - men fire årtier senere i 2013, eksperimentelle fysikere var stadig ude af stand til at identificere overgangene. Eksperimentelt arbejde alene var utilstrækkeligt, og videnskabsmænd krævede nøjagtige teoretiske beregninger for at vejlede yderligere analyse af jordtilstands-PEC og rovibrationstilstande af Mg ₂ . Men kun en håndfuld teoretiske undersøgelser kunne bestemme magnesiumdimerens vibrationsmanifold. For at undersøge vibrationsmanifolderne af magnesiumdimeren i dens grundtilstand, videnskabsmænd skal også eksperimentelt involvere ophidsede elektroniske tilstande.

I nærværende arbejde, Yuwono et al. leverede pålidelig beregning af grundtilstands-PEC (potentialenergikurve) og rovibrationstilstande for Mg ₂ der havde unddraget sig eksperimentelister i årtier ved hjælp af kvantemekanik. Under beregningsprotokollen for den exciterede tilstand vedtog de EOMCC-metoden (equation of motion coupled-cluster). Siden rovibrationsniveauer af Mg ₂ arter i øvrigt ²⁴ Mg ₂ ikke tidligere var beregnet, Yuwono et al. styrket forsøgene ved at inkludere magnesiumisotopologer. For eksempel, for hver af de to elektroniske potentialer, der tages i betragtning for magnesiumdimererne, de undersøgte det mest rigelige ²⁴ Mg _2, efterfulgt af de tungere isotopologer- ²⁴ Mg ²⁵ Mg; ²⁴ Mg ²⁶ Mg; ²⁵ Mg; ²⁵ Mg ²⁶ Mg og ²⁶ Mg ₂ .

Holdet begyndte at diskutere resultaterne med PEC-værdier og rovibrationstermer for at karakterisere jorden og exciterede tilstande af magnesiumdimeren. De betegnede vibrations- og rotationskvantetal (v og J) i grundtilstanden med en dobbelt primtal (hhv. v" og J") og dem i en exciteret tilstand med et primtal. De sammenlignede derefter tidligere rapporter med aktuelle beregninger og foreslog potentielle veje til at detektere de undvigende 13 vibrationsniveauer i jordtilstand (v″> 13) af magnesiumdimeren. Forskerne beregnede meget nøjagtig dissociationsenergi (D _e ) og ligevægtsbindingslængde (r _e ) værdier for ²⁴ Mg ₂ og de tilhørende isotopologer - i god overensstemmelse med tilgængelige data. Holdet indsamlede yderligere indsigt i kvaliteten af ​​deres indledende beregninger for jordtilstands-PEC ved at sammenligne rovibrationsbetingelserne med deres eksperimentelle modstykker beregnet i en tidligere undersøgelse.

Yuwono et al. beregnede rovibrationelle overgange af interesse som fluorescensfrekvenser ved hjælp af laser-induceret fluorescens (LIF) spektre til at ekstrapolere jordtilstandens potentielle energikurve. Den højere kvalitet af de beregnede v" (vibrations) og J″ (rotations) værdier og afstande i grundtilstanden gjorde det muligt for dem at detektere eksistensen af ​​v"> 13 niveauer, der tidligere var undsluppet eksperimentel påvisning. Arbejdet indebar endvidere, at LIF-spektroskopisk detektion af høje vibrationstilstande af Mg ₂ kun kunne opnås, hvis molekylet ikke roterede for hurtigt.

Teori vs. eksperiment og teoribaserede eksperimentelle veje

Det mest overbevisende bevis for den forudsagte indledende elektroniske struktur og rovibrationsberegninger var resultatet af den næsten perfekte gengivelse af de eksperimentelle overgange fra den exciterede tilstand til grundtilstanden, baseret på LIF-spektret. Baseret på overensstemmelsen mellem de teoretiske og eksperimentelle LIF-spektre, videnskabsmændene forudsagde overgangsfrekvenserne, der involverede det undvigende v"> 13 stater for at være præcise, give vejledning til tilstrækkelig eksperimentel detektion i fremtiden. De forstørrede områder af LIF-spektret for at overvinde signal-støj-forholdet og greb overgangene fra ophidsede tilstande til jordtilstande. Imidlertid, de tæt anbragte og overlappende linjer gjorde eksperimentel identifikation af vibrationstilstandene ved v" =14 meget vanskelig. At opdage de undvigende v" =14 til 18 vibrationsniveauer i fremtiden, Yuwono et al. adopterede teoriinspirerede eksperimentelle veje og undersøgte vibrationsovergange inden for områder af interesse i den mest udbredte isotopolog af Mg-dimeren, ²⁴ Mg ₂ .

På denne måde Stephen H. Yuwono og kolleger brugte avancerede ab initio kvantemekaniske metoder til at løse en halvt århundrede gammel gåde for at opdage magnesiumdimerens undvigende vibrationstilstande. Elementet er vigtigt for dets betydningsfulde rolle i grundlæggende fysikapplikationer. Holdet leverede meget nøjagtige jordtilstands-PEC- og rovibrationsværdier for ²⁴ Mg ₂ og dets mindre rigelige isotopologer. Det undvigende v"> 13 vibrationstilstande, der blev undersøgt i eksperimentet, blev ubundne, efterhånden som rotationskvantetallet (J") steg, bidrager til vanskeligheder under eksperimentel påvisning, tilskynde dem til at implementere metoder til at overvinde sådanne udfordringer. Værket giver en køreplan til eksperimentelt at identificere rovibroniske overgange, der involverer v"> 13 niveauer. Yuwono et al. forventer, at undersøgelsen giver næring til nye spektroskopiske undersøgelser af den udfordrende Mg ₂ arter og dens tungere analoger, der bidrager til vigtige fænomener i skæringspunktet mellem kemi, atomar, molekylær og optisk fysik.

© 2020 Science X Network