Dimère de magnésium (Mg 2 ) est une molécule fragile constituée de deux atomes interagissant faiblement maintenus ensemble par les lois de la mécanique quantique. Il est récemment apparu comme une sonde potentielle pour comprendre des phénomènes fondamentaux à l'intersection de la chimie et de la physique ultrafroide, mais son utilisation a été contrecarrée par une énigme vieille d'un demi-siècle :cinq états vibrationnels de haute altitude qui détiennent la clé pour comprendre comment les atomes de magnésium interagissent mais ont échappé à la détection pendant 50 ans.

Les quatorze Mg les plus bas 2 les états vibrationnels ont été découverts dans les années 1970, mais les expériences tant anciennes que récentes auraient dû observer un total de dix-neuf états. Comme un cas froid quantique, les efforts expérimentaux pour trouver les cinq derniers ont échoué, et mg 2 était presque oublié. Jusqu'à maintenant.

Piotr Piécuch, Michigan State University professeur distingué et professeur de chimie de la Fondation MSU, avec les étudiants diplômés du Département de chimie du Collège des sciences naturelles Stephen H. Yuwono et Ilias Magoulas, développé nouveau, des preuves dérivées de calculs qui ont non seulement fait un saut quantique dans la chimie quantique des premiers principes, mais a finalement résolu le Mg de 50 ans 2 mystère.

Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue Avancées scientifiques .

"Notre enquête approfondie sur le dimère de magnésium confirme sans ambiguïté l'existence de 19 niveaux vibrationnels, " dit Piecuch, dont le groupe de recherche est actif en chimie et physique quantiques depuis plus de 20 ans. "En calculant avec précision les courbes d'énergie potentielle à l'état fondamental et excité, la fonction de moment dipolaire de transition entre eux et les états rovibrationnels, nous avons non seulement reproduit les derniers spectres de fluorescence induite par laser (LIF), mais nous avons également fourni des conseils pour la future détection expérimentale des niveaux non résolus auparavant."

Alors pourquoi Piecuch et son équipe ont-ils réussi là où d'autres avaient échoué pendant tant d'années ?

La persistance de Yuwono et Magoulas a certainement ravivé l'intérêt pour le Mg 2 Cas, mais la réponse réside dans la brillante démonstration de l'équipe du pouvoir prédictif des méthodologies modernes de structure électronique, qui est venu à la rescousse lorsque les expériences ont rencontré des difficultés insurmontables.

"La présence de lignes de collision provenant d'une molécule heurtant une autre et le bruit de fond ont brouillé les spectres LIF observés expérimentalement, " expliqua Piecuch. " Pour aggraver les choses, les états vibrationnels insaisissables de haute altitude de Mg 2 que les scientifiques déconcertés pendant des décennies se dissipent dans l'air lorsque la molécule commence à tourner."

Au lieu de mener des expériences coûteuses, Piecuch et son équipe ont développé des stratégies de calcul efficaces qui ont simulé ces expériences, et ils l'ont fait mieux que quiconque auparavant.

Comme les états vibrationnels quantifiés de Mg 2 , les approximations intermédiaires n'étaient pas acceptables. Ils ont résolu les équations de Schrödinger électroniques et nucléaires, principes de la physique quantique qui décrivent les mouvements moléculaires, avec une précision presque totale.

"La majorité des calculs dans notre domaine ne nécessitent pas les niveaux de précision élevés que nous devions atteindre dans notre étude et recourent souvent à des modèles de calcul moins coûteux, mais nous avons fourni des preuves convaincantes que cela ne fonctionnerait pas ici, " a déclaré Piecuch. "Nous devions considérer tous les effets physiques imaginables et comprendre les conséquences de la négligence des moindres détails lors de la résolution des équations de la mécanique quantique."

Leurs calculs reproduisaient les mouvements vibrationnels et rotationnels dérivés expérimentalement de Mg 2 et les spectres LIF observés avec une précision remarquable - de l'ordre de 1 cm ^-1 , pour être exact. Cela a donné aux chercheurs l'assurance que leurs prédictions concernant le dimère de magnésium, y compris l'existence des états vibrationnels insaisissables de haute altitude, étaient fermes.

Yuwono et Magoulas étaient clairement enthousiasmés par le projet révolutionnaire, mais a souligné qu'ils avaient des doutes initiaux quant au succès de l'équipe.

"Au début, nous n'étions même pas sûrs de pouvoir mener à bien cette enquête, surtout compte tenu du nombre d'électrons dans le dimère de magnésium et des précisions extrêmes requises par nos calculs de pointe, " dit Magoulas, qui a travaillé dans le groupe de recherche de Piecuch pendant plus de quatre ans et enseigne des cours de chimie quantique de niveau supérieur à MSU.

« Les ressources de calcul que nous devions consacrer au projet et la quantité de données que nous devions traiter étaient immenses, bien plus importantes que tous mes calculs précédents combinés, " a ajouté Yuwono, qui enseigne également des cours de chimie physique à la MSU et travaille dans le groupe de recherche de Piecuch depuis 2017.

Le cas des états vibrationnels de haute altitude de Mg 2 qui a échappé aux scientifiques pendant un demi-siècle est enfin fermé, mais les détails des calculs qui l'ont déchiffré sont complètement ouverts et accessibles sur le site Web de Science Advances. Yuwono, Magoulas, et Piecuch espèrent que leurs calculs inspireront de nouvelles études expérimentales.

"La mécanique quantique est une belle théorie mathématique avec le potentiel d'expliquer les détails intimes des phénomènes moléculaires et autres phénomènes microscopiques, " Piecuch a déclaré. "Nous avons utilisé le Mg 2 mystère comme une opportunité de démontrer que le pouvoir prédictif des méthodologies de calcul modernes basées sur la mécanique quantique des premiers principes n'est plus limité aux petits, espèces à peu d'électrons."