密歇根州立大学的瓦尔·奥索斯基 该图用红色虚线显示了该团队的高精度从头计算，相对于用黑色标记的Mg2的实验LIF光谱
学分:皮耶丘实验室 镁二聚体(Mg2)是一种脆弱的分子，由两个弱相互作用的原子组成，它们通过量子力学定律结合在一起
它最近成为理解化学和超冷物理交叉的基本现象的潜在探针，但它的使用受到了一个半个世纪之久的谜的阻碍——五个高位振动状态是理解镁原子如何相互作用的关键，但50年来一直未被发现
最低的14个Mg2振动状态是在20世纪70年代发现的，但是早期和最近的实验应该观察到总共19个状态
就像量子冷案一样，寻找最后五个的实验努力失败了，Mg2几乎被遗忘了
直到现在
美国密执安州大学杰出教授、MSU基金会化学教授彼得·皮耶丘奇，以及自然科学学院化学系研究生斯蒂芬·H
Yuwono和Ilias Magoulas开发了新的、通过计算得出的证据，不仅在第一性原理量子化学中实现了量子飞跃，而且最终解开了50年之久的Mg2之谜
他们的发现最近发表在《科学进步》杂志上
“我们对镁二聚体的彻底研究毫不含糊地证实了19个振动能级的存在，”皮耶丘奇说，他的研究小组在量子化学和物理领域已经活跃了20多年
“通过精确计算基态和激发态的势能曲线、它们之间的跃迁偶极矩函数和随机态，我们不仅重现了最新的激光诱导荧光(LIF)光谱，还为未来对以前未解析能级的实验探测提供了指导
" 那么，为什么皮耶丘奇和他的团队能够在别人失败了这么多年的地方取得成功呢？ Yuwono和Magoulas的坚持无疑重新唤起了人们对Mg2案例的兴趣，但答案在于该团队对现代电子结构方法的预测能力的出色展示，当实验遇到不可克服的困难时，这些方法得到了拯救
“源于一个分子撞击另一个分子的碰撞线的存在和背景噪声混淆了实验观察到的LIF光谱，”皮耶丘奇解释说
“更糟糕的是，困扰科学家数十年的Mg2的难以捉摸的高振动状态在分子开始旋转时消失在稀薄的空气中
" Mg2缺失的高位振动状态在这里清晰可见，如计算得出的红线
实验无法探测到这些振动——这是MSU团队最终解开的一个长达数十年的谜
学分:皮耶丘实验室 皮耶丘奇和他的团队没有进行昂贵的实验，而是开发了模拟这些实验的高效计算策略，他们做得比以前任何人都好
像Mg2的量子化振动状态一样，介于两者之间的近似是不可接受的
他们几乎完全精确地解决了电子和核薛定谔方程，这是描述分子运动的量子物理学原理
“我们领域的大多数计算并不要求我们在研究中必须达到的高精度水平，并且经常求助于不太昂贵的计算模型，但是我们提供了令人信服的证据证明这在这里是行不通的，”皮耶丘奇说
“在求解量子力学方程时，我们必须考虑每一种可能的物理效应，并理解忽略哪怕是最微小的细节的后果
" 他们的计算非常精确地再现了实验得到的Mg2的振动和旋转运动以及观察到的LIF光谱——精确到1 cm-1的数量级
这为研究人员提供了信心，他们对镁二聚体的预测，包括难以捉摸的高位振动状态的存在，是坚定的
Yuwono和Magoulas显然对这个开创性的项目感到兴奋，但强调他们最初怀疑这个团队是否会成功
“一开始，我们甚至不确定我们是否能完成这项研究，尤其是考虑到镁二聚体中的电子数量和我们最新计算所需的极高精度，”马古拉斯说，他在皮耶丘的研究小组工作了四年多，在MSU大学教授高级量子化学课程
“我们不得不投入到这个项目中的计算资源和我们必须处理的数据量是巨大的——比我以前所有计算的总和都要大得多，”尤沃诺补充道，他也在MSU大学教授物理化学课程，自2017年以来一直在皮耶丘的研究小组工作
科学家们回避了半个世纪的Mg2高振动状态的案例终于结束了，但是破解它的计算细节是完全公开的，可以在科学进步网站上访问
尤沃诺、马古拉斯和皮耶丘奇希望他们的计算能够启发新的实验研究
“量子力学是一个美丽的数学理论，有潜力解释分子和其他微观现象的细节，”皮耶丘奇说
“我们以Mg2的神秘为契机，证明了基于量子力学第一性原理的现代计算方法的预测能力不再局限于小而少的电子种类
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
