Моделирование убедительно подтвердило наличие колебательных уровней, которые ранее не удавалось обнаружить экспериментальным путем.
Магниевый димер Mg2 — данная молекула отличается низкой стабильностью и состоит из двух атомов, удерживаемых вместе слабыми связями, взаимодействующими в соответствии с принципами квантовой механики. Исследователи рассматривают ее как возможность для изучения сложных процессов, возникающих на границе химии и физики, особенно в области ультрахолодных атомов. Однако применение димера в качестве инструмента для научных исследований долгое время было затруднено из-за неразгаданной тайны высокоэнергетических колебательных состояний.
Теоретические расчеты предсказывали наличие 19 квантовых колебательных состояний у димера магния, причем 14 из них были идентифицированы в ходе экспериментов еще в 1970-х годах. Не удалось выявить остальные состояния, и исследования димера были приостановлены.
Исследование, проведенное учеными из Университета штата Мичиган, опубликованная в журнале Science Advances, представленная работа демонстрирует решение этой загадки. «Наше детальное исследование димера магния однозначно подтверждает наличие 19 колебательных уровней», — отмечает руководитель исследования Петр Пикуч. «Точный расчет кривых потенциальной энергии основного и возбужденного состояний, а также функция дипольного момента перехода между ними и колебательные состояния позволили нам не только воссоздать последние спектры лазерно-индуцированной флуоресценции (излучение фотонов молекулами, которые были возбуждены при помощи лазера. — Прим. ред.), но и предоставить инструкции для дальнейшего экспериментального выявления ранее не обнаруженных уровней».
Успех Пикуча и его коллег, в отличие от других ученых, объясняется тем, что они убедительно продемонстрировали, насколько эффективны современные методы исследования субатомных структур. Благодаря этому, исследователям удалось преодолеть трудности, которые казались непреодолимыми.
«Наличие столкновительных линий, возникающих при взаимодействии молекул, и фоновые помехи вызвали зашумление экспериментально наблюдаемых спектров, — объясняет Пикуч. — Что еще хуже, эти же трудноуловимые высокоэнергетические колебательные состояния Mg 2, которые на протяжении десятилетий оставались неразрешимыми для ученых, как будто исчезают, когда молекула начинает вращаться».
Чтобы избежать дорогостоящих и трудоемких экспериментов, физики создали точный метод моделирования. Их вычисления, позволившие спрогнозировать наличие высокоэнергетических состояний, достоверно воспроизвели экспериментально зафиксированные колебательные и вращательные движения атомов магния 2, полученные данные позволили подтвердить корректность проведенных вычислений, а также проанализировать спектры флуоресценции, полученные в ходе экспериментов.
«Квантовая механика — изящная математическая теория, способная объяснить сложные аспекты молекулярных и других микроскопических явлений, — утверждает Пикуч. — Мы использовали загадку Mg 2 как возможность продемонстрировать, что предсказательная сила современных вычислительных методологий, основанных на квантовой механике, больше не ограничивается несложными системами из нескольких электронов».
Ранее мы писали о том, как физика помогла объяснить результаты президентских выборов в США, и как японский зонд подтвердил теорию российского физика об образовании Луны