Димер магния (МД2) — хрупкая молекула, состоящая из двух слабовзаимодействующих атомов, удерживаемых вместе по законам квантовой механики. Он недавно появился как потенциальный зонд для понимания основных явлений на стыке химии и физики ультрахолодных, однако его использование сдерживалось полтора-вековая загадка-пять высоколежащих колебательных состояний, имеющих ключевое значение для понимания того, как атомы магния взаимодействуют, но ускользают от обнаружения в течение 50 лет.
Самой низкой четырнадцать мг2 колебательных состояний были обнаружены в 1970-х, но как ранние, так и недавние эксперименты должны соблюдаться в общей сложности девятнадцати государств. Как квантовый глухарь, экспериментальные усилия, чтобы найти последние пять искусству, и Mg2 был почти забыт. До сих пор.
Петр Piecuch Мичиганского государственного университета почетный профессор МГУ и Фондом профессора химии, наряду с колледжем естественных наук кафедра химии аспирантами Стивен Х. Ювоно и Илиас Магулас, разработаны новые, вычислительно производные доказательства, которые не только сделали качественный скачок в принципах квантовой химии, но, наконец, решил 50-летний мг2 загадкой.
Их выводы были недавно опубликованы в журнале Science авансы.
«Наше тщательное расследование димер магний однозначно подтверждает существование 19 колебательных уровней», — сказал Piecuch, чья исследовательская группа была активной в области квантовой химии и физики более 20 лет. «За счет точного вычисления земле — и возбужденного состояния кривых потенциальной энергии, перехода дипольный момент функций между ними и колебательно-вращательных состояний, мы не только воспроизвел последний лазерно-индуцированной флуоресценции (лиф) спектры, но мы также дал указания для будущего экспериментального обнаружения ранее нерешенные уровнях».
Так почему Piecuch и его команде удалось добиться успеха там, где другие потерпели неудачу столько лет?
Сохранение Ювоно и Магулас, безусловно, возродили интерес к делу мг2, но ответ кроется в блестящую демонстрацию команды предсказательная сила современной электронной структуры методик, которые пришли на помощь, когда эксперименты трудности непреодолимые.
«Наличие столкновительного линиями, исходящими из одной молекулы наезд еще и фоновый шум замутил экспериментально наблюдаемых спектров лиф,» Piecuch объяснил. «Для того чтобы сделать дела хуже, неуловимый высоколежащих колебательных состояний мг2, которые озадачивали ученых в течение многих десятилетий растворилось в воздухе, когда молекула начинает вращаться.»
Вместо дорогостоящих экспериментов, Piecuch и его команда разработали эффективные вычислительные стратегии, которые имитировали эти эксперименты, и они сделали это лучше, чем кто-либо раньше.
Как квантованных колебательных состояний мг2, В-между приближенными не были приемлемы. Они решили электронного и ядерного уравнения Шредингера, постулаты квантовой физики, которые описывают молекулярные движения, с почти полной точностью.
«Большинство расчетов в нашей области не требуется высокого уровня точности мы должны были попасть в наше исследование, нередко прибегают к менее дорогих вычислительных моделей, но мы предоставили убедительные доказательства, что это не будет работать здесь», — сказал Piecuch. «Мы должны рассмотреть все возможные физическое воздействие и понимать последствия игнорирования даже самых мельчайших деталей, когда решения квантово-механических уравнений.»
Их расчеты воспроизведена экспериментально полученных колебательных и вращательных движений мг2 и наблюдаемых спектров лиф с удивительной точностью — порядка 1 см-1, если быть точным. Это позволило исследователям с уверенностью заявить, что их предсказания относительно димера магния, в том числе и существование неуловимого высоколежащих колебательных состояний, была фирма.
Ювоно и Магулас были явно взволнованы новаторский проект, но подчеркнул, что они должны были первоначальные сомнения в том, что команда будет успешной.
«В начале, мы даже не были уверены, если мы могли бы тянуть это дело, особенно учитывая количество электронов в магний димер и крайняя точность требуется наше государство-оф-искусство вычисления», — сказал Магулас, который работал в Piecuch исследовательская группа в течение более чем четырех лет и учит высоком уровне квантовой химии курсы в МГУ.
«Вычислительные ресурсы нам пришлось бросить на проект и объем данных, которые мы имели, чтобы процесс был огромным-гораздо больше, чем все мои предыдущие выкладки в сочетании», — добавил Ювоно, который также преподает физической химии курсы в МГУ и работал в Piecuch исследовательская группа с 2017 года.
В случае высоколежащих колебательных состояний мг2, который уклонился от ученых в течение полувека, наконец, закрыты, но в детали вычислений, что треснул он полностью открыт и доступен на сайте достижениям науки. Ювоно, Магулас, и Piecuch надеются, что их расчеты будут вдохновлять новых экспериментальных исследований.
«Квантовая механика-это красивая математическая теория с потенциальным объяснять интимные подробности молекулярном и прочих микроскопических явлений», — сказал Piecuch. «Мы использовали тайну мг2 как возможность продемонстрировать, что предсказательная сила современных вычислительных методологий, основанных на принципах квантовой механики уже не ограничивается малым, несколько электронных частиц.»
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!