Forskere løser et halvt århundrede gammelt magnesiumdimer-mysterium

Magnesiumdimer (Mg ₂ ) er et skrøbeligt molekyle bestående af to svagt interagerende atomer holdt sammen af ​​kvantemekanikkens love. Det er for nylig dukket op som en potentiel sonde til at forstå grundlæggende fænomener i skæringspunktet mellem kemi og ultrakold fysik, men brugen af ​​det er blevet forpurret af en halvt århundrede gammel gåde – fem højtliggende vibrationstilstande, der har nøglen til at forstå, hvordan magnesiumatomerne interagerer, men som har unddraget sig påvisning i 50 år.

De laveste fjorten Mg ₂ vibrationstilstande blev opdaget i 1970'erne, men både tidlige og nylige forsøg skulle have observeret i alt nitten stater. Som en quantum cold case, forsøgsforsøg på at finde de sidste fem mislykkedes, og Mg ₂ var næsten glemt. Indtil nu.

Piotr Piecuch, Michigan State University Distinguished Professor og MSU Foundation Professor i kemi, sammen med College of Natural Science Department of Chemistry kandidatstuderende Stephen H. Yuwono og Ilias Magoulas, udviklet nyt, beregningsmæssigt udledt bevis, der ikke kun gjorde et kvantespring i første principper kvantekemi, men endelig løste den 50-årige Mg ₂ mysterium.

Deres resultater blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

"Vores grundige undersøgelse af magnesiumdimeren bekræfter utvetydigt eksistensen af ​​19 vibrationsniveauer, " sagde Piecuch, hvis forskningsgruppe har været aktiv inden for kvantekemi og fysik i mere end 20 år. "Ved nøjagtigt at beregne jord- og exciterede potentielle energikurver, overgangsdipolmomentfunktionen mellem dem og rovibrationstilstandene, vi gengav ikke kun de nyeste laserinducerede fluorescens (LIF) spektre, men vi gav også vejledning til fremtidig eksperimentel påvisning af de tidligere uafklarede niveauer."

Så hvorfor var Piecuch og hans team i stand til at lykkes, hvor andre havde fejlet i så mange år?

Vedholdenheden af ​​Yuwono og Magoulas genoplivede bestemt interessen for Mg ₂ sag, men svaret ligger i holdets strålende demonstration af forudsigelseskraften i moderne elektroniske strukturmetoder, som kom til undsætning, da eksperimenter stødte på uoverstigelige vanskeligheder.

"Tilstedeværelsen af ​​kollisionslinjer, der stammer fra et molekyle, der rammer et andet, og baggrundsstøjen mudrede de eksperimentelt observerede LIF-spektre, " forklarede Piecuch. "For at gøre tingene værre, de undvigende højtliggende vibrationstilstande af Mg ₂ at forvirrede videnskabsmænd i årtier forsvinder ud i den blå luft, når molekylet begynder at rotere."

I stedet for at køre dyre eksperimenter, Piecuch og hans team udviklede effektive beregningsstrategier, der simulerede disse eksperimenter, og de gjorde det bedre end nogen havde før.

Ligesom de kvantificerede vibrationstilstande af Mg ₂ , mellem-tilnærmelser var ikke acceptable. De løste de elektroniske og nukleare Schrödinger-ligninger, principper i kvantefysikken, der beskriver molekylære bevægelser, med næsten fuldstændig nøjagtighed.

"Størstedelen af ​​beregningerne i vores felt kræver ikke de høje nøjagtighedsniveauer, vi skulle nå i vores undersøgelse og tyer ofte til billigere beregningsmodeller, men vi leverede overbevisende beviser på, at det ikke ville fungere her, "Piecuch sagde." Vi var nødt til at overveje enhver tænkelig fysisk effekt og forstå konsekvenserne af at negligere selv de mindste detaljer, når vi løste de kvantemekaniske ligninger. "

Deres beregninger reproducerede de eksperimentelt afledte vibrations- og rotationsbevægelser af Mg ₂ og de observerede LIF-spektre med bemærkelsesværdig præcision - i størrelsesordenen 1 cm ^-1 , for at være præcis. Dette gav forskerne tillid til, at deres forudsigelser vedrørende magnesiumdimeren, herunder eksistensen af ​​de undvigende højtliggende vibrationstilstande, var faste.

Yuwono og Magoulas var tydeligvis begejstrede for det banebrydende projekt, men understregede, at de oprindeligt var i tvivl om, hvorvidt holdet ville få succes.

"I begyndelsen, vi var ikke engang sikre på, om vi kunne trække denne undersøgelse fra, især i betragtning af antallet af elektroner i magnesiumdimeren og den ekstreme nøjagtighed, der kræves af vores state-of-the-art beregninger, "sagde Magoulas, som har arbejdet i Piecuchs forskergruppe i mere end fire år og underviser på seniorniveau i kvantekemi på MSU.

"De beregningsressourcer, vi skulle kaste over projektet, og mængden af ​​data, vi skulle behandle, var enorme - meget større end alle mine tidligere beregninger tilsammen, " tilføjede Yuwono, som også underviser i fysisk kemi på MSU og har arbejdet i Piecuchs forskningsgruppe siden 2017.

Tilfældet med de højtliggende vibrationstilstande af Mg ₂ der undgik forskere i et halvt århundrede er endelig lukket, men detaljerne i de beregninger, der knækkede det, er fuldstændig åbne og tilgængelige på Science Advances-webstedet. Yuwono, Magoulas, og Piecuch håber, at deres beregninger vil inspirere til nye eksperimentelle undersøgelser.

"Kvantemekanik er en smuk matematisk teori med potentiale til at forklare de intime detaljer i molekylære og andre mikroskopiske fænomener, " sagde Piecuch. "Vi brugte Mg ₂ mysterium som en mulighed for at demonstrere, at forudsigelseskraften af ​​moderne beregningsmetoder baseret på første principper kvantemekanik ikke længere er begrænset til små, få elektronarter."