2020-05-23 06:35:02
科学家解决了半个世纪前的镁二聚体之谜

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镁二聚体(Mg2)是由两个弱相互作用的原子组成的易碎分子,这些原子通过量子力学定律保持在一起。它最近成为理解化学和超冷物理学相交处的基本现象的潜在探究,但是它的使用已被半个世纪的谜团所挫败-五个高振动状态是了解如何理解原子能的关键。镁原子相互作用,但至今仍未发现50年。

在1970年代发现了最低的14个Mg2振动状态,但是早期和最近的实验都应该观测到总共19个状态。就像量子冷箱一样,寻找最后五个的实验失败了,Mg2几乎被遗忘了。到现在。

密歇根州立大学杰出教授兼MSU基础化学教授Piotr Piecuch,与自然科学学院化学系研究生Stephen H. Yuwono和Ilias Magoulas一起,开发出了新的,通过计算得出的证据,这些证据不仅使第一位科学家取得了飞跃性的发展,量子化学原理,但终于解决了50岁的Mg2之谜。

他们的发现最近发表在《科学进展》杂志上。

皮库奇说:“我们对镁二聚体的深入研究明确证实存在19种振动水平。”皮库奇的研究小组活跃于量子化学和物理学领域已有20多年了。 “通过精确计算基态和激发态势能曲线,它们之间的跃迁偶极矩函数和旋转振动态,我们不仅重现了最新的激光诱导荧光(LIF)光谱,而且还为未来提供了指导实验检测以前未解决的水平。”

那么,为什么Piecuch和他的团队能够在其他人失败了这么多年的地方取得成功呢?

Yuwono和Magoulas的坚持无疑使人们对Mg2案重新产生了兴趣,但答案在于该团队出色地展示了现代电子结构方法的预测能力,当实验遇到无法克服的困难时,这种方法就得以解决。

皮库奇解释说:“源于一个分子碰撞另一分子的碰撞线的存在和背景噪声使实验观察到的LIF光谱模糊不清。” “更糟糕的是,当分子开始旋转时,困扰数十年的科学家难以捉摸的Mg2的高振动状态消散在稀薄的空气中。”

Piecuch和他的团队没有进行昂贵的实验,而是开发了模拟这些实验的有效计算策略,并且他们比以前做得更好。

像Mg2的量化振动状态一样,中间近似值也是不可接受的。他们解决了电子和核薛定ding方程,这是描述分子运动的量子物理学原理,几乎完全准确。

皮库奇说:“我们领域的大多数计算并不需要我们在研究中必须达到的高精度水平,并且通常诉诸于较便宜的计算模型,但是我们提供了令人信服的证据,证明这在这里不可行。” “在解决量子力学方程时,我们必须考虑所有可能的物理效应,并理解甚至忽略最细微的细节的后果。”

他们的计算精确地再现了实验得出的Mg2的振动和旋转运动以及观察到的LIF光谱,精确度高达1 cm-1。这使研究人员充满信心,他们对镁二聚体(包括难以捉摸的高振动态的存在)的预测是坚定的。

Yuwono和Magoulas对该开创性项目显然感到兴奋,但强调他们最初怀疑该团队是否会成功。

玛古拉斯说:“一开始,我们甚至不确定是否可以开展这项研究,特别是考虑到镁二聚体中的电子数量以及最新计算所需的极端精度。”在Piecuch的研究小组工作了四年多,并在MSU教授高级量子化学课程。

Yuwono补充说:“我们必须在该项目上投入的计算资源以及必须处理的数据量非常庞大,比我以前所有计算的总和还要大。”自2017年以来担任研究小组成员。

逃避了科学家半个世纪的Mg2的高振动状态的案例终于结案,但是破解它的计算细节是完全开放的,可以在Science Advances网站上找到。 Yuwono,Magoulas和Piecuch希望他们的计算能够激发新的实验研究。

皮库奇说:“量子力学是一种美丽的数学理论,有可能解释分子和其他微观现象的内在细节。” “我们利用Mg2之谜作为一个机会,证明基于第一原理量子力学的现代计算方法的预测能力不再局限于小的,很少的电子种类。”

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