Este gráfico mostra os cálculos ab initio altamente precisos da equipe em vermelho, linhas pontilhadas em relação ao espectro LIF experimental de Mg2, marcado em preto. Crédito:Piecuch Lab
Dímero de magnésio (Mg 2 ) é uma molécula frágil que consiste em dois átomos fracamente interagindo mantidos juntos pelas leis da mecânica quântica. Recentemente, surgiu como uma sonda potencial para a compreensão de fenômenos fundamentais na interseção da química e da física ultracold, mas seu uso foi impedido por um enigma de meio século - cinco estados vibracionais elevados que contêm a chave para entender como os átomos de magnésio interagem, mas que escapam à detecção há 50 anos.
Os quatorze mg mais baixos 2 estados vibracionais foram descobertos na década de 1970, mas tanto os experimentos iniciais quanto os recentes deveriam ter observado um total de dezenove estados. Como uma caixa fria quântica, esforços experimentais para encontrar os últimos cinco falharam, e Mg 2 foi quase esquecido. Até agora.
Piotr Piecuch, Professor ilustre da Michigan State University e professor de química da MSU Foundation, junto com os alunos de graduação do Departamento de Química da Faculdade de Ciências Naturais Stephen H. Yuwono e Ilias Magoulas, desenvolvido novo, evidências computacionalmente derivadas de que não apenas deram um salto quântico nos primeiros princípios da química quântica, mas finalmente resolveu o Mg de 50 anos 2 mistério.
Suas descobertas foram publicadas recentemente no jornal Avanços da Ciência .
"Nossa investigação completa do dímero de magnésio confirma inequivocamente a existência de 19 níveis vibracionais, "disse Piecuch, cujo grupo de pesquisa atua na química quântica e na física há mais de 20 anos. "Ao calcular com precisão as curvas de energia potencial do estado fundamental e excitado, a função do momento dipolar de transição entre eles e os estados rovibracionais, nós não apenas reproduzimos os mais recentes espectros de fluorescência induzida por laser (LIF), mas também fornecemos orientação para a futura detecção experimental dos níveis não resolvidos anteriormente. "
Então, por que Piecuch e sua equipe foram capazes de ter sucesso onde outros falharam por tantos anos?
A persistência de Yuwono e Magoulas certamente reavivou o interesse no Mg 2 caso, mas a resposta está na brilhante demonstração da equipe do poder preditivo das modernas metodologias de estrutura eletrônica, que veio em socorro quando os experimentos encontraram dificuldades insuperáveis.
"A presença de linhas colisionais originadas de uma molécula atingindo outra e o ruído de fundo turvou os espectros LIF experimentalmente observados, "Piecuch explicou." Para piorar as coisas, os elusivos estados vibracionais elevados do Mg 2 que cientistas perplexos por décadas se dissipam no ar quando a molécula começa a girar. "
O que falta, estados vibracionais elevados de Mg 2 são claramente visíveis aqui como linhas vermelhas derivadas computacionalmente. Os experimentos não foram capazes de detectar essas vibrações - um enigma de décadas que a equipe MSU finalmente resolveu. Crédito:Piecuch Lab
Em vez de realizar experimentos caros, Piecuch e sua equipe desenvolveram estratégias computacionais eficientes que simulavam esses experimentos, e eles fizeram isso melhor do que qualquer um antes.
Como os estados vibracionais quantizados de Mg 2 , aproximações intermediárias não eram aceitáveis. Eles resolveram as equações de Schrödinger eletrônicas e nucleares, princípios da física quântica que descrevem os movimentos moleculares, com precisão quase completa.
"A maioria dos cálculos em nosso campo não requer os altos níveis de precisão que tivemos que alcançar em nosso estudo e, muitas vezes, recorremos a modelos computacionais mais baratos, mas fornecemos evidências convincentes de que isso não funcionaria aqui, "Piecuch disse." Tivemos que considerar todos os efeitos físicos concebíveis e compreender as consequências de negligenciar até os menores detalhes ao resolver as equações da mecânica quântica. "
Seus cálculos reproduziram os movimentos vibracionais e rotacionais de Mg 2 e os espectros de LIF observados com notável precisão - da ordem de 1 cm -1 , para ser exato. Isso deu aos pesquisadores a confiança de que suas previsões sobre o dímero de magnésio, incluindo a existência de estados vibracionais elusivos de alta altitude, eram firmes.
Yuwono e Magoulas estavam claramente entusiasmados com o projeto inovador, mas enfatizaram que tinham dúvidas iniciais se a equipe teria sucesso.
"No início, não tínhamos certeza se conseguiríamos realizar essa investigação, especialmente considerando o número de elétrons no dímero de magnésio e as precisões extremas exigidas por nossos cálculos de última geração, "disse Magoulas, que trabalhou no grupo de pesquisa de Piecuch por mais de quatro anos e ministra cursos de química quântica de nível sênior na MSU.
"Os recursos computacionais que tínhamos para jogar no projeto e a quantidade de dados que tínhamos que processar eram imensos - muito maiores do que todos os meus cálculos anteriores combinados, "adicionou Yuwono, que também ensina cursos de físico-química na MSU e trabalha no grupo de pesquisa de Piecuch desde 2017.
O caso dos estados vibracionais elevados de Mg 2 que os cientistas evadidos por meio século está finalmente encerrado, mas os detalhes dos cálculos que o quebraram estão completamente abertos e acessíveis no site Science Advances. Yuwono, Magoulas, e Piecuch esperam que seus cálculos inspirem novos estudos experimentais.
"A mecânica quântica é uma bela teoria matemática com potencial para explicar os detalhes íntimos de fenômenos moleculares e outros fenômenos microscópicos, "Piecuch disse." Usamos o Mg 2 mistério como uma oportunidade de demonstrar que o poder preditivo das metodologias computacionais modernas baseadas nos primeiros princípios da mecânica quântica não está mais limitado a pequenas, espécies de poucos elétrons. "
