Ученые объяснили природу образования магниевого димера

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.

Читайте также:  Ученые обнаружили антигипергелий

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.

Читайте также:  Квантовую телепортацию впервые провели на расстоянии 44 километра

«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».

Читайте также:  Создан материал, эффективно поглощающий звуковые волны

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