États vibratoires élevés du dimère de magnésium (Mg 2 ) sont un système important dans les études de physique fondamentale, bien qu'ils aient échappé à la caractérisation expérimentale pendant un demi-siècle. Les physiciens expérimentaux ont jusqu'à présent résolu les 14 premiers états vibrationnels de Mg 2, malgré les rapports selon lesquels l'état fondamental pourrait prendre en charge cinq niveaux supplémentaires. Dans un nouveau rapport, Stephen H. Yuwono et une équipe de recherche des départements de physique et de chimie de la Michigan State University, NOUS., ont présenté des courbes d'énergie potentielle initiale très précises pour les états électronique fondamental et excité de Mg 2 . Ils ont centré les recherches expérimentales sur les calculs de clusters couplés (CC) de pointe et les calculs d'interaction de configuration complète du Mg. 2 dimère. Le potentiel de l'état fondamental a confirmé l'existence de 19 états vibrationnels avec un écart minimal entre les valeurs rovibrationnelles précédemment calculées et les données dérivées expérimentalement. Les calculs sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques et fournir des conseils pour détecter expérimentalement des niveaux vibratoires non résolus auparavant.

Fond

alcalino-terreux faiblement liés (AE 2 ) les dimères peuvent fonctionner comme des sondes de phénomènes de physique fondamentale, comme les collisions ultrafroides, nanogouttelettes d'hélium dopées, les réactions binaires et même les horloges optiques à réseau et la gravité quantique. Le dimère de magnésium est important pour de telles applications car il présente plusieurs caractéristiques souhaitables, notamment la non-toxicité et l'absence de structure hyperfine dans les formes les plus abondantes. ²⁴ Isotope du magnésium qui facilite généralement l'analyse des collisions binaires et d'autres phénomènes quantiques. Cependant, le statut de Mg 2 en tant que prototype AE plus lourd 2 espèce est compliquée car les scientifiques n'ont pas été en mesure de caractériser expérimentalement ses niveaux vibratoires élevés et sa courbe d'énergie potentielle à l'état fondamental (PEC) depuis si longtemps.

Les difficultés de détection expérimentale sont dues à plusieurs facteurs, notamment les petits écarts énergétiques, effets de rotation entre des vibrations élevées et un rapport signal/bruit défavorable dans les spectres. En 1970, les physiciens Balfour et Douglas ont obtenu pour la première fois des spectres de photoabsorption à haute résolution de Mg 2 et a montré l'existence d'états vibrationnels supplémentaires (v) avec v"> 12. En 1973, une équipe de recherche a identifié v ″ =13 niveaux et une courbe d'énergie potentielle résultante supportant 19 états vibrationnels, mais quatre décennies plus tard en 2013, les physiciens expérimentateurs étaient encore incapables d'identifier les transitions. Les travaux expérimentaux seuls étaient insuffisants et les scientifiques avaient besoin de calculs théoriques précis pour guider une analyse plus approfondie de la PEC à l'état fondamental et des états rovibrationnels de Mg. 2 . Mais seule une poignée d'investigations théoriques ont pu déterminer la variété vibrationnelle du dimère de magnésium. Pour sonder les variétés vibrationnelles du dimère de magnésium dans son état fondamental, les scientifiques doivent également impliquer expérimentalement des états électroniques excités.

Dans le travail present, Yuwono et al. fourni un calcul fiable de l'état fondamental PEC (courbe d'énergie potentielle) et des états rovibrationnels de Mg 2 qui avait échappé aux expérimentateurs pendant des décennies en utilisant la mécanique quantique. Au cours du protocole de calcul pour l'état excité, ils ont adopté la méthode de l'équation du mouvement couplé-cluster (EOMCC). Étant donné que les niveaux rovibrationnels du Mg 2 espèce en plus ²⁴ mg 2 n'avait pas été calculé auparavant, Yuwono et al. renforcé les expériences en incluant des isotopologues du magnésium. Par exemple, pour chacun des deux potentiels électroniques considérés pour les dimères de magnésium, ils ont examiné les plus abondants ²⁴ mg 2, suivi des isotopologues plus lourds– ²⁴ mg ²⁵ mg; ²⁴ mg ²⁶ mg; ²⁵ mg; ²⁵ mg ²⁶ mg et ²⁶ mg 2 .

L'équipe a commencé à discuter des résultats avec des valeurs PEC et des termes rovibrationnels pour caractériser les états fondamental et excité du dimère de magnésium. Ils ont désigné les nombres quantiques de vibration et de rotation (v et J) dans l'état fondamental avec un double premier (v" et J" respectivement) et ceux dans un état excité avec un premier. Ils ont ensuite comparé les rapports précédents avec les calculs actuels et suggéré des voies potentielles pour détecter les 13 niveaux vibratoires insaisissables de l'état fondamental (v″> 13) du dimère de magnésium. Les scientifiques ont calculé une énergie de dissociation très précise (D e ) et la longueur de liaison d'équilibre (r e ) valeurs pour ²⁴ mg 2 et les isotopologues associés, en bon accord avec les données disponibles. L'équipe a recueilli des informations supplémentaires sur la qualité de leurs calculs initiaux pour la PEC à l'état fondamental en comparant les termes rovibrationnels avec leurs homologues expérimentaux calculés dans une étude précédente.

Yuwono et al. calcul des transitions rovibrationnelles d'intérêt en tant que fréquences de fluorescence en utilisant des spectres de fluorescence induite par laser (LIF) pour extrapoler la courbe d'énergie potentielle de l'état fondamental. La meilleure qualité des valeurs calculées de v" (vibration) et J″ (rotation) et des espacements dans l'état fondamental leur a permis de détecter l'existence de v"> 13 niveaux qui avaient auparavant échappé à la détection expérimentale. Le travail impliquait en outre que la détection spectroscopique LIF d'états vibratoires élevés de Mg 2 ne pouvait être atteint que si la molécule ne tournait pas trop vite.

Théorie contre expérience et avenues expérimentales basées sur la théorie

La preuve la plus convaincante de la structure électronique initiale prédite et des calculs rovibrationnels résulte de la reproduction presque parfaite des transitions expérimentales de l'état excité à l'état fondamental, basé sur le spectre LIF. Sur la base de l'accord entre les spectres LIF théorique et expérimental, les scientifiques ont prédit les fréquences de transition impliquant l'insaisissable v"> 13 états pour être précis, fournir des orientations pour une détection expérimentale adéquate à l'avenir. Ils ont agrandi des régions du spectre LIF pour surmonter le rapport signal sur bruit et ont saisi les transitions des états excités aux états fondamentaux. Cependant, les lignes densément espacées et qui se chevauchent ont rendu très difficile l'identification expérimentale des états vibrationnels à v" =14. Pour détecter l'insaisissable v" =14 à 18 niveaux vibrationnels à l'avenir, Yuwono et al. adopté des pistes expérimentales inspirées de la théorie et examiné les transitions vibrationnelles dans les régions d'intérêt dans l'isotopologue le plus abondant du dimère Mg, ²⁴ mg 2 .

De cette façon, Stephen H. Yuwono et ses collègues ont utilisé des méthodes de mécanique quantique ab initio de pointe pour résoudre une énigme vieille d'un demi-siècle afin de détecter les états vibrationnels insaisissables du dimère de magnésium. L'élément est important pour son rôle important dans les applications de la physique fondamentale. L'équipe a fourni une PEC à l'état fondamental et des valeurs rovibrationnelles très précises de ²⁴ mg 2 et ses isotopologues moins abondants. L'insaisissable v"> 13 états vibrationnels étudiés dans l'expérience sont devenus déliés à mesure que le nombre quantique de rotation (J") augmentait, contribuant aux difficultés lors de la détection expérimentale, les incitant à mettre en œuvre des méthodes pour surmonter ces défis. Le travail fournit une feuille de route pour identifier expérimentalement les transitions rovibroniques impliquant le v"> 13 niveaux. Yuwono et al. attendez-vous à ce que l'étude alimente de nouvelles investigations spectroscopiques du difficile Mg 2 espèces et ses analogues plus lourds qui contribuent à des phénomènes importants à l'intersection de la chimie, atomique, physique moléculaire et optique.

© 2020 Réseau Science X