Estados vibracionais elevados do dímero de magnésio (Mg ₂ ) são um sistema importante nos estudos de física fundamental, embora tenham escapado à caracterização experimental por meio século. Os físicos experimentais resolveram até agora os primeiros 14 estados vibracionais de Mg _2, apesar de relatos de que o estado fundamental pode suportar cinco níveis adicionais. Em um novo relatório, Stephen H. Yuwono e uma equipe de pesquisa dos departamentos de física e química da Michigan State University, NÓS., apresentaram curvas de energia potencial inicial altamente precisas para os estados de elétron de base e excitado de Mg ₂ . Eles centralizaram as investigações experimentais em cálculos de cluster acoplado (CC) de última geração e cálculos de interação de configuração completa do Mg ₂ dímero. O potencial do estado fundamental confirmou a existência de 19 estados vibracionais com desvio mínimo entre os valores rovibracionais calculados anteriormente e os dados derivados experimentalmente. Os cálculos agora são publicados em Avanços da Ciência e fornecer orientação para detectar experimentalmente níveis vibracionais não resolvidos anteriormente.

Fundo

Alcalino-terroso fracamente ligado (AE ₂ ) dímeros podem funcionar como sondas de fenômenos físicos fundamentais, como colisões ultracold, nanogotículas de hélio dopadas, reações binárias e até mesmo relógios de rede óptica e gravidade quântica. O dímero de magnésio é importante para tais aplicações, uma vez que possui várias características desejáveis, incluindo não toxicidade e uma ausência de estrutura hiperfina nas mais abundantes ²⁴ Isótopo de Mg que normalmente facilita a análise de colisões binárias e outros fenômenos quânticos. Contudo, o status de Mg ₂ como um protótipo de AE ​​mais pesado ₂ espécie é complicada, pois os cientistas não foram capazes de caracterizar experimentalmente seus altos níveis vibracionais e a curva de energia potencial do estado fundamental (PEC) por tanto tempo.

Dificuldades de detecção experimental surgiram de vários fatores, incluindo pequenas lacunas de energia, efeitos rotacionais entre altas vibrações e relação sinal-ruído desfavorável nos espectros. Em 1970, os físicos Balfour e Douglas primeiro obtiveram espectros de fotoabsorção de alta resolução de Mg ₂ e mostrou a existência de estados vibracionais extras (v) com v "> 12. Em 1973, uma equipe de pesquisa identificou o v ″ =13 níveis e uma curva de energia potencial resultante suportando 19 estados vibracionais - mas quatro décadas depois, em 2013, os físicos experimentais ainda não conseguiam identificar as transições. O trabalho experimental por si só foi insuficiente e os cientistas exigiram cálculos teóricos precisos para orientar uma análise mais aprofundada do PEC do estado fundamental e dos estados rovibracionais de Mg ₂ . Mas apenas um punhado de investigações teóricas poderia determinar a variedade vibracional do dímero de magnésio. Para sondar variedades vibracionais do dímero de magnésio em seu estado fundamental, os cientistas também devem envolver experimentalmente estados eletrônicos excitados.

No presente trabalho, Yuwono et al. forneceu cálculo confiável do estado fundamental PEC (curva de energia potencial) e estados rovibracionais de Mg ₂ que iludiu experimentalistas por décadas usando a mecânica quântica. Durante o protocolo computacional para o estado excitado, eles adotaram o método da equação de agrupamento acoplado de movimento (EOMCC). Uma vez que os níveis rovibracionais do Mg ₂ espécies além ²⁴ Mg ₂ não tinha sido calculado anteriormente, Yuwono et al. reforçou os experimentos incluindo isotopólogos de magnésio. Por exemplo, para cada um dos dois potenciais eletrônicos considerados para os dímeros de magnésio, eles examinaram o mais abundante ²⁴ Mg _2, seguido pelos isotopólogos mais pesados ​​- ²⁴ Mg ²⁵ Mg; ²⁴ Mg ²⁶ Mg; ²⁵ Mg; ²⁵ Mg ²⁶ Mg e ²⁶ Mg ₂ .

A equipe começou a discutir os resultados com valores PEC e termos rovibracionais para caracterizar o solo e os estados excitados do dímero de magnésio. Eles designaram os números quânticos de vibração e rotação (v e J) no estado fundamental com um primo duplo (v "e J" respectivamente) e aqueles em estado excitado com um primo. Eles então compararam relatórios anteriores com cálculos atuais e sugeriram caminhos potenciais para detectar os indescritíveis 13 níveis vibracionais do estado fundamental (v ″> 13) do dímero de magnésio. Os cientistas calcularam a energia de dissociação altamente precisa (D _e ) e comprimento da ligação de equilíbrio (r _e ) valores para ²⁴ Mg ₂ e os isotopólogos associados - de acordo com os dados disponíveis. A equipe coletou mais informações sobre a qualidade de seus cálculos iniciais para o PEC do estado fundamental, comparando os termos rovibracionais com suas contrapartes experimentais calculadas em um estudo anterior.

Yuwono et al. transições rovibracionais calculadas de interesse como frequências de fluorescência usando espectros de fluorescência induzida por laser (LIF) para extrapolar a curva de energia potencial do estado fundamental. A maior qualidade dos valores calculados de v "(vibracional) e J ″ (rotacional) e espaçamentos no estado fundamental permitiu-lhes detectar a existência de v"> 13 níveis que haviam escapado da detecção experimental. O trabalho implicava ainda que a detecção espectroscópica LIF de altos estados vibracionais de Mg ₂ só poderia ser alcançado se a molécula não girasse muito rápido.

Teoria vs. Experimento e Avenidas Experimentais Baseadas na Teoria

A evidência mais convincente para a estrutura eletrônica inicial prevista e cálculos rovibracionais resultaram da reprodução quase perfeita das transições experimentais do estado excitado para o estado fundamental, com base no espectro LIF. Com base na concordância entre os espectros LIF teóricos e experimentais, os cientistas previram as frequências de transição envolvendo o evasivo v "> 13 estados para serem precisos, fornecer orientação para a detecção experimental adequada no futuro. Eles ampliaram regiões do espectro LIF para superar a relação sinal-ruído e compreenderam as transições de estados excitados para estados fundamentais. Contudo, as linhas densamente espaçadas e sobrepostas tornavam a identificação experimental dos estados vibracionais em v "=14 muito difícil. Para detectar o evasivo v" =14 a 18 níveis vibracionais no futuro, Yuwono et al. adotou vias experimentais inspiradas na teoria e examinou as transições vibracionais dentro das regiões de interesse no isotopólogo mais abundante do dímero de Mg, ²⁴ Mg ₂ .

Desta maneira, Stephen H. Yuwono e seus colegas usaram métodos de mecânica quântica ab initio de última geração para abordar um enigma de meio século para detectar os estados vibracionais indescritíveis do dímero de magnésio. O elemento é importante por seu papel significativo em aplicações fundamentais da física. A equipe forneceu valores PEC e rovibracionais de estado fundamental altamente precisos de ²⁴ Mg ₂ e seus isotopólogos menos abundantes. O evasivo v "> 13 estados vibracionais investigados no experimento tornaram-se desassociados conforme o número quântico rotacional (J ") aumentou, contribuindo para as dificuldades durante a detecção experimental, levando-os a implementar métodos para superar esses desafios. O trabalho fornece um roteiro para identificar experimentalmente as transições rovibrônicas envolvendo v "> 13 níveis. Yuwono et al. esperamos que o estudo alimente novas investigações espectroscópicas do desafiador Mg ₂ espécies e seus análogos mais pesados ​​que contribuem para fenômenos importantes na interseção da química, atômico, física molecular e óptica.

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