Четырнадцать низших колебательных состояний Mg2 были обнаружены в 1970-х годах, но как в ранних, так и в недавних экспериментах должно было наблюдаться в общей сложности девятнадцать состояний. Как и в случае с квантовым холодом, экспериментальные попытки найти последние пять не увенчались успехом, и о Mg2 почти забыли. До настоящего времени.
Пётр Пикуч, заслуженный профессор Университета штата Мичиган и профессор химии Фонда МГУ, вместе с аспирантами факультета химии Колледжа естественных наук Стивеном Х. Ювоно и Илиас Магулас разработали новое доказательство, полученное с помощью вычислений, которое не только совершило квантовый скачок в квантовой химии, основанной на первых принципах, но и наконец разрешило загадку Mg2 50-летней давности.
Их результаты были недавно опубликованы в журнале Science Advances.
«Наше тщательное исследование димера магния однозначно подтверждает существование 19 колебательных уровней», – сказал Пикуч, исследовательская группа которого более 20 лет занимается квантовой химией и физикой. «Точно рассчитав кривые потенциальной энергии основного и возбужденного состояний, функцию дипольного момента перехода между ними и колебательные состояния, мы не только воспроизвели новейшие спектры лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF), но и предоставили рекомендации на будущее экспериментальное обнаружение ранее неразрешенных уровней."
Так почему же Пикух и его команда смогли добиться успеха там, где другие терпели неудачи на протяжении стольких лет??
Настойчивость Ювоно и Магуласа, безусловно, возродила интерес к делу Mg2, но ответ заключается в блестящей демонстрации командой предсказательной силы современных методологий электронной структуры, которая пришла на помощь, когда эксперименты столкнулись с непреодолимыми трудностями.
«Присутствие линий столкновения, возникающих при столкновении одной молекулы с другой, и фоновый шум искажают экспериментально наблюдаемые спектры LIF», – пояснил Пикуч. "Что еще хуже, неуловимые высоко расположенные колебательные состояния Mg2, которые ставили ученых в тупик на протяжении десятилетий, растворяются в воздухе, когда молекула начинает вращаться."
Вместо проведения дорогостоящих экспериментов Пикух и его команда разработали эффективные вычислительные стратегии, моделирующие эти эксперименты, и сделали это лучше, чем кто-либо прежде.
Как и квантованные колебательные состояния Mg2, промежуточные приближения были неприемлемы. Они решили электронные и ядерные уравнения Шредингера, принципы квантовой физики, описывающие движения молекул, с почти полной точностью.
«Большинство расчетов в нашей области не требуют высоких уровней точности, которых мы должны были достичь в нашем исследовании, и часто прибегают к менее дорогостоящим вычислительным моделям, но мы предоставили убедительные доказательства того, что здесь это не сработает», – сказал Пикуч. «Мы должны были рассмотреть все мыслимые физические эффекты и понять последствия игнорирования даже мельчайших деталей при решении квантово-механических уравнений."
Их расчеты воспроизводили экспериментально полученные колебательные и вращательные движения Mg2 и наблюдаемые спектры ЛИФ с замечательной точностью – порядка 1 см-1, если быть точным. Это дало исследователям уверенность в том, что их прогнозы относительно димера магния, включая существование неуловимых высоколежащих колебательных состояний, были твердыми.
Ювоно и Магулас были явно взволнованы новаторским проектом, но подчеркнули, что изначально они сомневались в успехе команды.
«Вначале мы даже не были уверены, сможем ли мы провести это расследование, особенно учитывая количество электронов в димере магния и чрезвычайную точность, требуемую нашими современными вычислениями», – сказал Магулас, который более четырех лет проработал в исследовательской группе Пикуха и преподает курсы квантовой химии в МГУ.
«Вычислительные ресурсы, которые мы должны были вложить в проект, и объем данных, которые мы должны были обработать, были огромны – намного больше, чем все мои предыдущие вычисления вместе взятые», – добавил Ювоно, который также преподает курсы физической химии в МГУ и работал в нем. Исследовательская группа Пикуха с 2017 г.
Случай с высоколежащими колебательными состояниями Mg2, которые ускользали от ученых в течение полувека, наконец закрыт, но детали вычислений, которые позволили его раскрыть, полностью открыты и доступны на веб-сайте Science Advances.
Ювоно, Магулас и Пикуч надеются, что их вычисления вдохновят на новые экспериментальные исследования.
«Квантовая механика – прекрасная математическая теория, способная объяснить самые сокровенные детали молекулярных и других микроскопических явлений», – сказал Пикуч. «Мы использовали загадку Mg2 как возможность продемонстрировать, что предсказательная сила современных вычислительных методологий, основанных на первых принципах квантовой механики, больше не ограничивается небольшими разновидностями с несколькими электронами."