Dimero di magnesio (Mg ₂ ) è una molecola fragile costituita da due atomi debolmente interagenti tenuti insieme dalle leggi della meccanica quantistica. È emerso di recente come una potenziale sonda per comprendere i fenomeni fondamentali all'intersezione tra chimica e fisica ultrafredda, ma il suo uso è stato ostacolato da un enigma vecchio di mezzo secolo:cinque stati vibrazionali ad alta menzogna che contengono la chiave per comprendere come interagiscono gli atomi di magnesio, ma sono sfuggiti al rilevamento per 50 anni.

I quattordici Mg . più bassi ₂ stati vibrazionali sono stati scoperti negli anni '70, ma sia i primi che i recenti esperimenti avrebbero dovuto osservare un totale di diciannove stati. Come un caso freddo quantistico, tentativi sperimentali per trovare gli ultimi cinque falliti, e Mg ₂ era quasi dimenticato. Fino ad ora.

Piotr Piecuch, Professore distinto della Michigan State University e professore di chimica della Fondazione MSU, insieme agli studenti laureati del Dipartimento di Chimica del College of Natural Science Stephen H. Yuwono e Ilias Magoulas, sviluppato nuovo, prove derivate dal calcolo che non solo hanno fatto un salto di qualità nella chimica quantistica dei primi principi, ma alla fine ha risolto il 50enne Mg ₂ mistero.

I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Progressi scientifici .

"La nostra indagine approfondita sul dimero di magnesio conferma inequivocabilmente l'esistenza di 19 livelli vibrazionali, " disse Piecuch, il cui gruppo di ricerca è attivo nella chimica e fisica quantistica da più di 20 anni. "Calcolando accuratamente le curve di energia potenziale dello stato fondamentale e dello stato eccitato, la funzione del momento dipolare di transizione tra loro e gli stati rovibrazionali, non solo abbiamo riprodotto gli ultimi spettri di fluorescenza indotta da laser (LIF), ma abbiamo anche fornito una guida per il futuro rilevamento sperimentale dei livelli precedentemente irrisolti".

Allora perché Piecuch e il suo team sono riusciti ad avere successo dove altri avevano fallito per così tanti anni?

La persistenza di Yuwono e Magoulas ha certamente ravvivato l'interesse per il Mg ₂ Astuccio, ma la risposta sta nella brillante dimostrazione del team del potere predittivo delle moderne metodologie di struttura elettronica, che è venuto in soccorso quando gli esperimenti hanno incontrato difficoltà insormontabili.

"La presenza di linee di collisione originate da una molecola che ne colpisce un'altra e il rumore di fondo hanno confuso gli spettri LIF osservati sperimentalmente, " Spiecuch ha spiegato. "A peggiorare le cose, gli sfuggenti stati vibrazionali di Mg ₂ che scienziati sconcertati per decenni si dissolvono nel nulla quando la molecola inizia a ruotare".

Invece di eseguire costosi esperimenti, Piecuch e il suo team hanno sviluppato strategie computazionali efficienti che hanno simulato quegli esperimenti, e lo hanno fatto meglio di chiunque altro prima.

Come gli stati vibrazionali quantizzati di Mg ₂ , approssimazioni intermedie non erano accettabili. Hanno risolto le equazioni di Schrödinger elettroniche e nucleari, principi della fisica quantistica che descrivono i moti molecolari, con quasi assoluta precisione.

"La maggior parte dei calcoli nel nostro campo non richiede gli elevati livelli di precisione che abbiamo dovuto raggiungere nel nostro studio e spesso ricorre a modelli computazionali meno costosi, ma abbiamo fornito prove convincenti che questo non avrebbe funzionato qui, " Ha detto Piecuch. "Abbiamo dovuto considerare ogni possibile effetto fisico e comprendere le conseguenze di trascurare anche i più piccoli dettagli quando si risolvono le equazioni della meccanica quantistica".

I loro calcoli hanno riprodotto i moti vibrazionali e rotazionali derivati ​​sperimentalmente di Mg ₂ e gli spettri LIF osservati con notevole precisione, dell'ordine di 1 cm ^-1 , per essere precisi. Ciò ha fornito ai ricercatori la certezza che le loro previsioni riguardanti il ​​dimero di magnesio, compresa l'esistenza degli sfuggenti stati vibrazionali ad alta menzogna, erano fermi.

Yuwono e Magoulas erano chiaramente entusiasti del progetto innovativo, ma hanno sottolineato che avevano dei dubbi iniziali sul successo della squadra.

"All'inizio, non eravamo nemmeno sicuri di poter portare a termine questa indagine, soprattutto considerando il numero di elettroni nel dimero di magnesio e l'estrema precisione richiesta dai nostri calcoli all'avanguardia, " disse Magoulas, che ha lavorato nel gruppo di ricerca di Piecuch per più di quattro anni e tiene corsi di chimica quantistica di alto livello alla MSU.

"Le risorse computazionali che abbiamo dovuto dedicare al progetto e la quantità di dati che abbiamo dovuto elaborare erano immense, molto più grandi di tutti i miei calcoli precedenti messi insieme, "aggiunse Yuwono, che insegna anche corsi di chimica fisica alla MSU e lavora nel gruppo di ricerca di Piecuch dal 2017.

Il caso degli stati vibrazionali alti di Mg ₂ che gli scienziati sfuggiti per mezzo secolo sono finalmente chiusi, ma i dettagli dei calcoli che lo hanno decifrato sono completamente aperti e accessibili sul sito Web di Science Advances. Yuwono, Magoule, e Piecuch sperano che i loro calcoli possano ispirare nuovi studi sperimentali.

"La meccanica quantistica è una bellissima teoria matematica con il potenziale di spiegare i dettagli intimi dei fenomeni molecolari e di altri fenomeni microscopici, " Piecuch ha detto. "Abbiamo usato il Mg ₂ mistero come un'opportunità per dimostrare che il potere predittivo delle moderne metodologie computazionali basate sui principi primi della meccanica quantistica non è più limitato ai piccoli, specie a pochi elettroni."