Alti stati vibrazionali del dimero di magnesio (Mg ₂ ) sono un sistema importante negli studi di fisica fondamentale, anche se hanno eluso la caratterizzazione sperimentale per mezzo secolo. I fisici sperimentali hanno finora risolto i primi 14 stati vibrazionali di Mg _2, nonostante i rapporti secondo cui lo stato fondamentale potrebbe supportare cinque livelli aggiuntivi. In un nuovo rapporto, Stephen H. Yuwono e un gruppo di ricerca nei dipartimenti di fisica e chimica della Michigan State University, NOI., ha presentato curve di energia potenziale iniziale altamente accurate per gli stati di elettroni di terra ed eccitati di Mg ₂ . Hanno centrato le indagini sperimentali su calcoli di cluster accoppiati (CC) all'avanguardia e calcoli di interazione a configurazione completa del Mg ₂ dimero. Il potenziale dello stato fondamentale ha confermato l'esistenza di 19 stati vibrazionali con una deviazione minima tra i valori rovibrazionali calcolati in precedenza ei dati derivati ​​sperimentalmente. I calcoli sono ora pubblicati su Progressi scientifici e fornire una guida per rilevare sperimentalmente livelli vibrazionali precedentemente irrisolti.

Sfondo

Alcalino-terrosi debolmente legati (AE ₂ ) i dimeri possono funzionare come sonde di fenomeni fisici fondamentali, come le collisioni ultrafredde, nanogoccioline di elio drogate, reazioni binarie e persino orologi reticolari ottici e gravità quantistica. Il dimero di magnesio è importante per tali applicazioni poiché ha diverse caratteristiche desiderabili tra cui l'atossicità e l'assenza di struttura iperfine nelle zone più abbondanti ²⁴ Isotopo di Mg che in genere facilita l'analisi di collisioni binarie e altri fenomeni quantistici. Però, lo stato di Mg ₂ come prototipo più pesante AE ₂ specie è complicato poiché gli scienziati non sono stati in grado di caratterizzare sperimentalmente i suoi alti livelli vibrazionali e la curva di energia potenziale (PEC) dello stato fondamentale per così tanto tempo.

Le difficoltà di rilevamento sperimentale sono sorte da diversi fattori, tra cui piccole lacune energetiche, effetti rotazionali tra vibrazioni elevate e rapporto segnale-rumore sfavorevole negli spettri. Nel 1970, i fisici Balfour e Douglas ottennero per primi spettri di fotoassorbimento ad alta risoluzione di Mg ₂ e ha mostrato l'esistenza di stati vibrazionali extra (v) con v"> 12. Nel 1973, un gruppo di ricerca ha identificato il v ″ =13 livello e una curva di energia potenziale risultante che supporta 19 stati vibrazionali, ma quattro decenni dopo nel 2013, i fisici sperimentali non erano ancora in grado di identificare le transizioni. Il lavoro sperimentale da solo era insufficiente e gli scienziati richiedevano calcoli teorici accurati per guidare un'ulteriore analisi della PEC dello stato fondamentale e degli stati rovibrazionali del Mg ₂ . Ma solo una manciata di indagini teoriche potrebbe determinare il collettore vibrazionale del dimero di magnesio. Per sondare i collettori vibrazionali del dimero di magnesio nel suo stato fondamentale, gli scienziati devono anche coinvolgere sperimentalmente stati elettronici eccitati.

Nel presente lavoro, Yuwono et al. ha fornito un calcolo affidabile della PEC dello stato fondamentale (curva dell'energia potenziale) e degli stati rovibrazionali di Mg ₂ che aveva eluso per decenni gli sperimentalisti che usavano la meccanica quantistica. Durante il protocollo di calcolo per lo stato eccitato hanno adottato il metodo dell'equazione del moto accoppiato-cluster (EOMCC). Poiché i livelli rovibrazionali del Mg ₂ specie inoltre ²⁴ Mg ₂ non era stato precedentemente calcolato, Yuwono et al. rafforzato gli esperimenti includendo isotopologhi di magnesio. Per esempio, per ciascuno dei due potenziali elettronici considerati per i dimeri di magnesio, hanno esaminato i più abbondanti ²⁴ Mg _2, seguito dagli isotopologhi più pesanti– ²⁴ Mg ²⁵ mg; ²⁴ Mg ²⁶ mg; ²⁵ mg; ²⁵ Mg ²⁶ mg e ²⁶ Mg ₂ .

Il team ha iniziato a discutere i risultati con i valori PEC e i termini rovibrazionali per caratterizzare gli stati al suolo e quelli eccitati del dimero di magnesio. Hanno designato i numeri quantici di vibrazione e di rotazione (v e J) nello stato fondamentale con un doppio primo (v" e J" rispettivamente) e quelli in uno stato eccitato con un primo. Hanno quindi confrontato i rapporti precedenti con i calcoli attuali e suggerito potenziali percorsi per rilevare gli sfuggenti 13 livelli vibrazionali dello stato fondamentale (v″> 13) del dimero di magnesio. Gli scienziati hanno calcolato un'energia di dissociazione molto accurata (D _e ) e lunghezza del legame di equilibrio (r _e ) valori per ²⁴ Mg ₂ e gli isotopologhi associati, in buon accordo con i dati disponibili. Il team ha raccolto ulteriori informazioni sulla qualità dei loro calcoli iniziali per la PEC dello stato fondamentale confrontando i termini rovibrazionali con le loro controparti sperimentali calcolate in uno studio precedente.

Yuwono et al. transizioni rovibrazionali calcolate di interesse come frequenze di fluorescenza utilizzando spettri di fluorescenza indotta da laser (LIF) per estrapolare la curva di energia potenziale dello stato fondamentale. La maggiore qualità dei valori calcolati di v" (vibrazionale) e J″ (rotazionale) e delle spaziature nello stato fondamentale ha permesso loro di rilevare l'esistenza di v"> 13 livelli che in precedenza erano sfuggiti al rilevamento sperimentale. Il lavoro implicava inoltre che il rilevamento spettroscopico LIF di stati vibrazionali elevati di Mg ₂ potrebbe essere raggiunto solo se la molecola non ruotasse troppo velocemente.

Teoria contro esperimento e percorsi sperimentali basati sulla teoria

La prova più convincente per la struttura elettronica iniziale prevista e per i calcoli rovibrazionali è derivata dalla riproduzione quasi perfetta delle transizioni sperimentali dallo stato eccitato allo stato fondamentale, basato sullo spettro LIF. Sulla base dell'accordo tra gli spettri LIF teorici e sperimentali, gli scienziati hanno predetto le frequenze di transizione che coinvolgono la sfuggente v"> 13 afferma per essere precisi, fornire indicazioni per un'adeguata rilevazione sperimentale in futuro. Hanno ingrandito le regioni dello spettro LIF per superare il rapporto segnale-rumore e hanno colto le transizioni dagli stati eccitati agli stati fondamentali. Però, le linee densamente distanziate e sovrapposte rendevano molto difficile l'identificazione sperimentale degli stati vibrazionali a v" =14. Per rilevare in futuro gli sfuggenti v" =da 14 a 18 livelli vibrazionali, Yuwono et al. adottato vie sperimentali ispirate alla teoria ed esaminato le transizioni vibrazionali all'interno delle regioni di interesse nell'isotopologo più abbondante del dimero Mg, ²⁴ Mg ₂ .

In questo modo, Stephen H. Yuwono e colleghi hanno utilizzato metodi di meccanica quantistica ab initio all'avanguardia per affrontare un enigma vecchio di mezzo secolo e rilevare gli elusivi stati vibrazionali del dimero di magnesio. L'elemento è importante per il suo ruolo significativo nelle applicazioni fisiche fondamentali. Il team ha fornito PEC allo stato fondamentale e valori rovibrazionali estremamente accurati di ²⁴ Mg ₂ e i suoi isotopologhi meno abbondanti. La sfuggente v"> 13 stati vibrazionali studiati nell'esperimento si sono sciolti all'aumentare del numero quantico rotazionale (J"), contribuendo a difficoltà durante il rilevamento sperimentale, spingendoli a mettere in atto metodi per superare tali sfide. Il lavoro fornisce una road map per identificare sperimentalmente le transizioni rovibroniche che coinvolgono la v"> 13 livelli. Yuwono et al. si aspettano che lo studio alimenterà nuove indagini spettroscopiche sull'impegnativo Mg ₂ specie e i suoi analoghi più pesanti che contribuiscono a importanti fenomeni all'intersezione della chimica, atomico, fisica molecolare e ottica.

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