Hoge trillingstoestanden van het magnesiumdimeer (Mg ₂ ) zijn een belangrijk systeem in studies van fundamentele fysica, hoewel ze al een halve eeuw aan experimentele karakterisering zijn ontsnapt. Experimentele natuurkundigen hebben tot nu toe de eerste 14 trillingstoestanden van Mg . opgelost _2, ondanks berichten dat de grondtoestand vijf extra niveaus kan ondersteunen. In een nieuw rapport Stephen H. Yuwono en een onderzoeksteam in de departementen natuurkunde en scheikunde aan de Michigan State University, ONS., presenteerde zeer nauwkeurige initiële potentiële energiecurven voor de grond- en aangeslagen elektronentoestanden van Mg ₂ . Ze concentreerden de experimentele onderzoeken op berekeningen van state-of-the-art gekoppelde cluster (CC) en volledige configuratie-interactieberekeningen van de Mg ₂ dimeer. Het grondtoestandpotentieel bevestigde het bestaan ​​van 19 trillingstoestanden met minimale afwijking tussen eerder berekende rovibratiewaarden en experimenteel afgeleide gegevens. De berekeningen zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang en begeleiding bieden om voorheen onopgeloste trillingsniveaus experimenteel te detecteren.

Achtergrond

Zwak gebonden aardalkali (AE ₂ ) dimeren kunnen functioneren als sondes van fundamentele natuurkundige verschijnselen, zoals ultrakoude botsingen, gedoteerde helium nanodruppels, binaire reacties en zelfs optische roosterklokken en kwantumzwaartekracht. Het magnesiumdimeer is belangrijk voor dergelijke toepassingen omdat het verschillende gewenste eigenschappen heeft, waaronder niet-toxiciteit en een afwezigheid van hyperfijne structuur in de meest voorkomende ²⁴ Mg-isotoop die doorgaans de analyse van binaire botsingen en andere kwantumverschijnselen vergemakkelijkt. Echter, de status van Mg ₂ als prototype zwaardere AE ₂ soort is gecompliceerd omdat wetenschappers de hoge trillingsniveaus en de potentiële energiecurve (PEC) van de grondtoestand al zo lang niet experimenteel hebben kunnen karakteriseren.

Experimentele detectieproblemen kwamen voort uit verschillende factoren, waaronder kleine energiekloven, rotatie-effecten tussen hoge trillingen en ongunstige signaal-ruisverhouding in spectra. In 1970, natuurkundigen Balfour en Douglas verkregen eerst fotoabsorptiespectra met hoge resolutie van Mg ₂ en toonde het bestaan ​​van extra trillingstoestanden (v) met v"> 12. In 1973, een onderzoeksteam identificeerde de v ″ =13 niveau en een resulterende potentiële energiecurve die 19 trillingstoestanden ondersteunt, maar vier decennia later in 2013, experimentele natuurkundigen waren nog steeds niet in staat om de overgangen te identificeren. Experimenteel werk alleen was onvoldoende en wetenschappers hadden nauwkeurige theoretische berekeningen nodig om verdere analyse van de grondtoestand PEC en rovibrationele toestanden van Mg te begeleiden ₂ . Maar slechts een handvol theoretisch onderzoek kon het vibratieverdeelstuk van het magnesiumdimeer bepalen. Om vibratieverdeelstukken van het magnesiumdimeer in zijn grondtoestand te onderzoeken, wetenschappers moeten ook geëxciteerde elektronische toestanden experimenteel betrekken.

In het huidige werk, Yuwono et al. leverde betrouwbare berekening van de grondtoestand PEC (potentiële energiecurve) en rovibrationele toestanden van Mg ₂ dat decennia lang aan experimentatoren was ontgaan met behulp van kwantummechanica. Tijdens het computationele protocol voor de aangeslagen toestand hebben ze de methode van de vergelijking van beweging gekoppelde cluster (EOMCC) aangenomen. Aangezien rovibrationele niveaus van de Mg ₂ soorten trouwens ²⁴ Mg ₂ was niet eerder berekend, Yuwono et al. versterkte de experimenten door magnesiumisotopologen op te nemen. Bijvoorbeeld, voor elk van de twee elektronische potentialen die worden overwogen voor de magnesiumdimeren, ze onderzochten de meest voorkomende ²⁴ Mg _2, gevolgd door de zwaardere isotopologen– ²⁴ Mg ²⁵ mg; ²⁴ Mg ²⁶ mg; ²⁵ mg; ²⁵ Mg ²⁶ Mg en ²⁶ Mg ₂ .

Het team begon de resultaten te bespreken met PEC-waarden en rovibrationele termen om de grond- en aangeslagen toestanden van het magnesiumdimeer te karakteriseren. Ze wezen de trillings- en rotatiekwantumgetallen (v en J) in de grondtoestand aan met een dubbel priemgetal (respectievelijk v" en J") en die in een aangeslagen toestand met een priemgetal. Vervolgens vergeleken ze eerdere rapporten met huidige berekeningen en suggereerden ze mogelijke paden om de ongrijpbare 13 trillingsniveaus in de grondtoestand te detecteren (v″> 13) van het magnesiumdimeer. De wetenschappers berekenden zeer nauwkeurige dissociatie-energie (D _e ) en evenwichtsbindingslengte (r _e ) waarden voor ²⁴ Mg ₂ en de bijbehorende isotopologen - in goede overeenstemming met de beschikbare gegevens. Het team verzamelde verdere inzichten in de kwaliteit van hun initiële berekeningen voor de grondtoestand PEC door de rovibrationele termen te vergelijken met hun experimentele tegenhangers berekend in een eerdere studie.

Yuwono et al. berekende rovibrationele overgangen van belang als fluorescentiefrequenties met behulp van laser-geïnduceerde fluorescentie (LIF) spectra om de potentiële energiecurve van de grondtoestand te extrapoleren. Door de hogere kwaliteit van de berekende v" (vibratie) en J″ (rotatie) waarden en afstanden in de grondtoestand konden ze het bestaan ​​van v" detecteren> 13 niveaus die eerder aan experimentele detectie waren ontsnapt. Het werk impliceerde verder dat de LIF-spectroscopische detectie van hoge trillingstoestanden van Mg ₂ kon alleen worden bereikt als het molecuul niet te snel roteerde.

Theorie versus experiment en op theorie gebaseerde experimentele wegen

Het meest overtuigende bewijs voor de voorspelde initiële elektronische structuur en rovibrationele berekeningen was het resultaat van de bijna perfecte reproductie van de experimentele overgangen van de aangeslagen toestand naar de grondtoestand, gebaseerd op het LIF-spectrum. Op basis van de overeenkomst tussen de theoretische en experimentele LIF-spectra, de wetenschappers voorspelden de overgangsfrequenties met de ongrijpbare v"> 13 staten om precies te zijn, het bieden van richtlijnen voor adequate experimentele detectie in de toekomst. Ze vergrootten gebieden van het LIF-spectrum om de signaal-ruisverhouding te overwinnen en begrepen de overgangen van aangeslagen toestanden naar grondtoestanden. Echter, de dicht op elkaar staande en overlappende lijnen maakten experimentele identificatie van de trillingstoestanden bij v" =14 erg moeilijk. Om de ongrijpbare v" =14 tot 18 trillingsniveaus in de toekomst te detecteren, Yuwono et al. aangenomen theorie-geïnspireerde experimentele wegen en onderzocht vibrationele overgangen binnen regio's van belang in de meest voorkomende isotopoloog van het Mg-dimeer, ²⁴ Mg ₂ .

Op deze manier, Stephen H. Yuwono en collega's gebruikten state-of-the-art ab initio kwantummechanische methoden om een ​​halve eeuw oud raadsel aan te pakken om de ongrijpbare trillingstoestanden van het magnesiumdimeer te detecteren. Het element is belangrijk vanwege zijn belangrijke rol in fundamentele fysica-toepassingen. Het team leverde zeer nauwkeurige grondtoestand-PEC en rovibratiewaarden van ²⁴ Mg ₂ en zijn minder overvloedige isotopologen. De ongrijpbare v"> 13 trillingstoestanden die in het experiment werden onderzocht, werden ongebonden naarmate het rotatiekwantumgetal (J") toenam, bijdragen aan problemen tijdens experimentele detectie, hen ertoe aan te zetten methoden te implementeren om dergelijke uitdagingen het hoofd te bieden. Het werk biedt een routekaart om rovibronische overgangen experimenteel te identificeren waarbij de v"> 13 niveaus. Yuwono et al. verwacht dat de studie nieuwe spectroscopische onderzoeken van de uitdagende Mg . zal voeden ₂ soorten en zijn zwaardere analogen die bijdragen aan belangrijke verschijnselen op het snijvlak van chemie, atoom, moleculaire en optische fysica.

© 2020 Wetenschap X Netwerk