Estados de alta vibración del dímero de magnesio (Mg ₂ ) son un sistema importante en los estudios de física fundamental, aunque han eludido la caracterización experimental durante medio siglo. Los físicos experimentales han resuelto hasta ahora los primeros 14 estados vibracionales de Mg _2, a pesar de los informes de que el estado fundamental puede soportar cinco niveles adicionales. En un nuevo informe, Stephen H. Yuwono y un equipo de investigación de los departamentos de física y química de la Universidad Estatal de Michigan, NOSOTROS., presentó curvas de energía potencial inicial altamente precisas para el suelo y los estados de electrones excitados de Mg ₂ . Centraron las investigaciones experimentales en cálculos de clúster acoplado (CC) de última generación y cálculos de interacción de configuración completa del Mg. ₂ dímero. El potencial del estado fundamental confirmó la existencia de 19 estados vibracionales con una desviación mínima entre los valores rovibracionales previamente calculados y los datos obtenidos experimentalmente. Los cálculos ahora se publican en Avances de la ciencia y proporcionar orientación para detectar experimentalmente niveles vibratorios no resueltos previamente.

Fondo

Alcalinotérreos débilmente enlazados (AE ₂ ) los dímeros pueden funcionar como sondas de fenómenos físicos fundamentales, como colisiones ultrafrías, nanogotas de helio dopado, reacciones binarias e incluso relojes de celosía óptica y gravedad cuántica. El dímero de magnesio es importante para tales aplicaciones, ya que tiene varias características deseables, incluida la no toxicidad y la ausencia de estructura hiperfina en las más abundantes. ²⁴ Isótopo de Mg que normalmente facilita el análisis de colisiones binarias y otros fenómenos cuánticos. Sin embargo, el estado de Mg ₂ como un prototipo AE más pesado ₂ La especie es complicada ya que los científicos no han podido caracterizar experimentalmente sus altos niveles de vibración y la curva de energía potencial (PEC) del estado fundamental durante tanto tiempo.

Las dificultades de detección experimentales surgieron de varios factores, incluidos pequeños vacíos de energía, efectos de rotación entre altas vibraciones y una relación señal / ruido desfavorable en los espectros. En 1970, Los físicos Balfour y Douglas obtuvieron por primera vez espectros de fotoabsorción de alta resolución de Mg ₂ y mostró la existencia de estados extra vibracionales (v) con v "> 12. En 1973, un equipo de investigación identificó el v ″ =13 niveles y una curva de energía potencial resultante que soporta 19 estados vibratorios, pero cuatro décadas después, en 2013, los físicos experimentales aún eran incapaces de identificar las transiciones. El trabajo experimental por sí solo era insuficiente y los científicos requerían cálculos teóricos precisos para guiar un análisis adicional de la PEC del estado fundamental y los estados de vibración de Mg. ₂ . Pero solo un puñado de investigaciones teóricas podría determinar la variedad vibratoria del dímero de magnesio. Para sondear las variedades vibratorias del dímero de magnesio en su estado fundamental, los científicos también deben involucrar experimentalmente estados electrónicos excitados.

En el presente trabajo, Yuwono y col. proporcionó un cálculo confiable del PEC (curva de energía potencial) del estado fundamental y los estados de vibración de Mg ₂ que había eludido a los experimentadores durante décadas que usaban la mecánica cuántica. Durante el protocolo computacional para el estado excitado, adoptaron el método de ecuación de movimiento acoplado-clúster (EOMCC). Dado que los niveles de vibración del Mg ₂ especies además ²⁴ Mg ₂ no se había calculado previamente, Yuwono y col. reforzó los experimentos al incluir isotopólogos de magnesio. Por ejemplo, para cada uno de los dos potenciales electrónicos considerados para los dímeros de magnesio, examinaron las más abundantes ²⁴ Mg _2, seguido de los isotopólogos más pesados ²⁴ Mg ²⁵ Mg; ²⁴ Mg ²⁶ Mg; ²⁵ Mg; ²⁵ Mg ²⁶ Mg y ²⁶ Mg ₂ .

El equipo comenzó a discutir los resultados con valores de PEC y términos de vibración para caracterizar el suelo y los estados excitados del dímero de magnesio. Designaron los números cuánticos de vibración y rotación (v y J) en el estado fundamental con un primo doble (v "y J" respectivamente) y aquellos en un estado excitado con un primo. Luego compararon los informes anteriores con los cálculos actuales y sugirieron posibles vías para detectar los escurridizos 13 niveles vibratorios del estado fundamental (v ″> 13) del dímero de magnesio. Los científicos calcularon la energía de disociación de alta precisión (D _mi ) y longitud del enlace de equilibrio (r _mi ) valores para ²⁴ Mg ₂ y los isotopólogos asociados, de acuerdo con los datos disponibles. El equipo reunió más información sobre la calidad de sus cálculos iniciales para el PEC del estado fundamental comparando los términos de vibración con sus contrapartes experimentales calculadas en un estudio anterior.

Yuwono y col. calcularon las transiciones de vibración de interés como frecuencias de fluorescencia utilizando espectros de fluorescencia inducida por láser (LIF) para extrapolar la curva de energía potencial del estado fundamental. La mayor calidad de los valores y espaciamientos v "(vibracional) y J ″ (rotacional) calculados en el estado fundamental les permitió detectar la existencia de v"> 13 niveles que previamente habían escapado a la detección experimental. El trabajo implicaba además que la detección espectroscópica LIF de estados de alta vibración de Mg ₂ solo podría lograrse si la molécula no girara demasiado rápido.

Teoría versus Experimento y Avenidas Experimentales basadas en la Teoría

La evidencia más convincente de la estructura electrónica inicial predicha y los cálculos de vibración resultaron de la reproducción casi perfecta de las transiciones experimentales del estado excitado al estado fundamental, basado en el espectro LIF. Basado en la concordancia entre los espectros LIF teóricos y experimentales, los científicos predijeron las frecuencias de transición que implican la elusiva v "> 13 estados para ser precisos, proporcionar orientación para una detección experimental adecuada en el futuro. Ampliaron regiones del espectro LIF para superar la relación señal-ruido y captaron las transiciones de estados excitados a estados fundamentales. Sin embargo, las líneas densamente espaciadas y superpuestas hicieron muy difícil la identificación experimental de los estados vibratorios en v "=14. Para detectar el escurridizo v" =14 a 18 niveles vibratorios en el futuro, Yuwono y col. adoptó avenidas experimentales inspiradas en la teoría y examinó las transiciones vibratorias dentro de las regiones de interés en el isotopólogo más abundante del dímero de Mg, ²⁴ Mg ₂ .

De este modo, Stephen H. Yuwono y sus colegas utilizaron métodos mecánicos cuánticos ab initio de última generación para abordar un enigma de medio siglo para detectar los esquivos estados vibracionales del dímero de magnesio. El elemento es importante por su importante papel en las aplicaciones de la física fundamental. El equipo proporcionó valores de PEC y rovibracionales del estado fundamental de alta precisión de ²⁴ Mg ₂ y sus isotopólogos menos abundantes. La esquiva v "> 13 estados vibracionales investigados en el experimento se liberaron a medida que aumentaba el número cuántico rotacional (J "), contribuyendo a las dificultades durante la detección experimental, incitándolos a implementar métodos para superar tales desafíos. El trabajo proporciona una hoja de ruta para identificar experimentalmente las transiciones rovibrónicas que involucran la v "> 13 niveles. Yuwono y col. Esperamos que el estudio alimente nuevas investigaciones espectroscópicas del desafiante Mg ₂ especies y sus análogos más pesados ​​que contribuyen a fenómenos importantes en la intersección de la química, atómico, física molecular y óptica.

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