Höga vibrationstillstånd för magnesiumdimern (Mg ₂ ) är ett viktigt system för studier av grundläggande fysik, även om de har undvikit experimentell karaktärisering i ett halvt sekel. Experimentella fysiker har hittills löst de första 14 vibrationstillstånden i Mg _2, trots rapporter om att delstaten kan stödja ytterligare fem nivåer. I en ny rapport, Stephen H. Yuwono och ett forskargrupp vid avdelningarna för fysik och kemi vid Michigan State University, USA, presenterade mycket exakta initiala potentiella energikurvor för marken och exciterade elektrontillstånd för Mg ₂ . De centrerade de experimentella undersökningarna på beräkningar av state-of-the-art coupled-cluster (CC) och fullständiga konfigurationsinteraktionsberäkningar av Mg ₂ dimer. Grundtillståndspotentialen bekräftade förekomsten av 19 vibrationstillstånd med minimal avvikelse mellan tidigare beräknade rovibrationsvärden och experimentellt härledda data. Beräkningarna publiceras nu på Vetenskapliga framsteg och ge vägledning för att experimentellt upptäcka tidigare olösta vibrationsnivåer.

Bakgrund

Svagt bunden alkalisk jord (AE ₂ ) dimerer kan fungera som sonder för grundläggande fysikfenomen, såsom ultrakylda kollisioner, dopade helium -nanodroppar, binära reaktioner och till och med optiska gitterklockor och kvantgravitation. Magnesiumdimeren är viktig för sådana tillämpningar eftersom den har flera önskvärda egenskaper, inklusive icke -toxicitet och frånvaro av hyperfin struktur i de vanligaste ²⁴ Mg -isotop som vanligtvis underlättar analysen av binära kollisioner och andra kvantfenomen. Dock, status för Mg ₂ som en prototyp tyngre AE ₂ arter är komplicerade eftersom forskare inte har kunnat experimentera att karakterisera dess höga vibrationsnivåer och potentiella energikurva (PEC) på grundtillstånd så länge.

Experimentella upptäcktssvårigheter uppstod från flera faktorer, inklusive små energiklyftor, rotationseffekter mellan höga vibrationer och ogynnsamt signal-brusförhållande i spektra. År 1970, fysikerna Balfour och Douglas erhöll först högupplösta fotoabsorptionsspektra av Mg ₂ och visade förekomsten av extra vibrationstillstånd (v) med v "> 12. År 1973, en forskargrupp identifierade v ″ =13 nivå och en resulterande potentiell energikurva som stöder 19 vibrationstillstånd - men fyra decennier senare 2013, experimentella fysiker kunde fortfarande inte identifiera övergångarna. Försöksarbetet ensamt var otillräckligt och forskare krävde noggranna teoretiska beräkningar för att vägleda ytterligare analys av PEC i grundtillstånd och rovibrationstillstånd för Mg ₂ . Men bara en handfull teoretiska undersökningar kunde bestämma magnesiumdimmerns vibrationsgrenrör. För att mäta vibrationsgrenrör för magnesiumdimeren i dess marktillstånd, forskare måste också experimentellt involvera upphetsade elektroniska tillstånd.

I det nuvarande arbetet, Yuwono et al. gav tillförlitlig beräkning av PEC (potentialenergikurva) för grundtillstånd och rovibrationstillstånd för Mg ₂ som hade undvikit experimenter i decennier med hjälp av kvantmekanik. Under beräkningsprotokollet för det upphetsade tillståndet antog de metoden ekvation för rörelse kopplat-kluster (EOMCC). Eftersom rovibrationsnivåer av Mg ₂ arter förutom ²⁴ Mg ₂ inte tidigare beräknats, Yuwono et al. förstärkte experimenten genom att inkludera magnesiumisotopologer. Till exempel, för var och en av de två elektroniska potentialerna som beaktas för magnesiumdimererna, de undersökte de mest förekommande ²⁴ Mg _2, följt av de tyngre isotopologerna– ²⁴ Mg ²⁵ Mg; ²⁴ Mg ²⁶ Mg; ²⁵ Mg; ²⁵ Mg ²⁶ Mg och ²⁶ Mg ₂ .

Teamet började diskutera resultaten med PEC -värden och rovibrationstermer för att karakterisera marken och upphetsade tillstånd för magnesiumdimern. De betecknade vibrations- och rotationskvantnumren (v och J) i grundtillståndet med en dubbel prim (v "respektive J") och de i ett upphetsat tillstånd med en primtal. De jämförde sedan tidigare rapporter med aktuella beräkningar och föreslog potentiella vägar för att upptäcka de svårfångade 13 jordtillståndsvibrationsnivåerna (v ″> 13) av magnesiumdimeren. Forskarna beräknade mycket exakt dissociationsenergi (D _e ) och jämviktsbindningslängd (r _e ) värden för ²⁴ Mg ₂ och tillhörande isotopologer - i överensstämmelse med tillgänglig data. Teamet samlade ytterligare insikter om kvaliteten på deras initiala beräkningar för grundtillståndet PEC genom att jämföra rovibrationsvillkoren med deras experimentella motsvarigheter beräknade i en tidigare studie.

Yuwono et al. beräknade rovibrationsövergångar av intresse som fluorescensfrekvenser med hjälp av laserinducerade fluorescens (LIF) spektra för att extrapolera marktillståndets potentiella energikurva. Den högre kvaliteten på de beräknade v "(vibrations) och J ″ (rotations) värdena och avstånden i grundtillståndet gjorde att de kunde upptäcka förekomsten av v"> 13 nivåer som tidigare hade undgått experimentell upptäckt. Arbetet innebar vidare att LIF -spektroskopisk detektion av höga vibrationstillstånd för Mg ₂ kunde endast uppnås om molekylen inte roterade för snabbt.

Teori kontra experiment och teoribaserade experimentella vägar

Det mest övertygande beviset för den förutsagda initiala elektroniska strukturen och rovibrationsberäkningar berodde på den nästan perfekta reproduktionen av de experimentella övergångarna från det upphetsade tillståndet till grundtillståndet, baserat på LIF -spektrum. Baserat på överenskommelsen mellan de teoretiska och experimentella LIF -spektren, forskarna förutspådde övergångsfrekvenserna som involverade det svårfångade v "> 13 stater för att vara korrekta, ge vägledning för adekvat experimentell upptäckt i framtiden. De förstorade områden i LIF-spektrumet för att övervinna signal-brusförhållandet och greppade övergångarna från upphetsade tillstånd till marktillstånd. Dock, de tätt åtskilda och överlappande linjerna gjorde experimentell identifiering av vibrationstillstånden vid v "=14 mycket svårt. Att upptäcka de svårfångade v" =14 till 18 vibrationsnivåerna i framtiden, Yuwono et al. antog teoriinspirerade experimentella vägar och undersökte vibrationsövergångar inom områden av intresse för den mest förekommande isotopologen av Mg-dimeren, ²⁴ Mg ₂ .

På det här sättet, Stephen H. Yuwono och kollegor använde state-of-the-art ab initio kvantmekaniska metoder för att ta itu med ett halvt sekel gammalt gåta för att upptäcka de svårfångade vibrationstillstånden hos magnesiumdimeren. Elementet är viktigt för sin betydande roll i grundläggande fysikapplikationer. Teamet tillhandahöll mycket exakta PEC- och rovibrationsvärden för grundläget ²⁴ Mg ₂ och dess mindre rikliga isotopologer. Det svårfångade v "> 13 vibrationstillstånd som undersöktes i experimentet blev obundna när rotationskvantantalet (J ") ökade, bidrar till svårigheter under experimentell upptäckt, uppmanar dem att implementera metoder för att övervinna sådana utmaningar. Arbetet ger en färdplan för att experimentellt identifiera rovibroniska övergångar som involverar v "> 13 nivåer. Yuwono et al. förvänta dig att studien kommer att ge nya spektroskopiska undersökningar av den utmanande Mg ₂ arter och dess tyngre analoger som bidrar till viktiga fenomen vid skärningspunkten mellan kemi, atom, molekylär och optisk fysik.

© 2020 Science X Network