困擾科學界半個世紀之久的鎂二聚體謎題解開

2020-08-28 科學新聞前沿


紅色虛線顯示了研究小組高度精確的計算結果，黑色標記的是 Mg2的實驗 LIF 光譜。 圖片來源: Piecuch Lab

鎂二聚體（Mg2）是由兩個弱相互作用原子按量子力學定律結合在一起的脆弱分子。最近，它作為一種潛在的探索方法出現，用於理解化學和物理交叉領域的基本現象，但它的使用卻被一個半世紀前的謎團——五種高振動態所阻礙，這五種高振動態是理解鎂原子如何相互作用的關鍵，但50年來一直未被發現。

最低的14個Mg2振動態是在20世紀70年代發現的，但是早期和近期的實驗都證明應該觀察到總共19個態，但尋找最後五個的實驗失敗了，從那以後，Mg2就成了一個量子力學懸案，幾乎被遺忘了。

密西根州立大學基礎化學傑出教授Piotr Piecuch，以及自然科學學院化學系研究生Stephen H.Yuwono和Ilias Magoulas，得出了新的、由計算推導的證據，不僅在第一原理量子化學上實現了量子躍遷，也終於解開了50年前的Mg2之謎。

他們的發現最近發表在《科學進展》雜誌上。

「我們對鎂二聚體的徹底研究明確地證實了19個振動能級的存在，」Piecuch說，他的研究小組已經在量子化學和物理學領域活躍了20多年。」通過精確計算基態和激發態勢能曲線，以及基態和激發態之間的躍遷偶極矩函數，我們不僅再現了最新的雷射誘導螢光（LIF）光譜，而且還為今後實驗檢測先前未解決的能級提供了指導。」

清楚地看到Mg2的缺失、高振動態，紅線是計算所得。圖片來源: Piecuch Lab

Yuwono和Magoulas的堅持無疑重新激起了人們對Mg2案例的興趣，那麼，為什麼Piecuch和他的團隊能夠在其他人失敗多年的地方取得成功呢？

答案在於該團隊出色地展示了現代電子結構方法的預測能力，當實驗遇到無法克服的困難時，這種方法為他們提供了思路。

Piecuch解釋說：「一個分子碰撞另一個分子時產生的碰撞線和背景噪聲幹擾了實驗觀察到的LIF光譜。」更糟糕的是，當分子開始旋轉時，困擾科學家數十年的難以捉摸的Mg2高位振動狀態會消散到稀薄的空氣中。」

這裡通過計算得出的紅線可以清楚地看到Mg2的缺失的、高位的振動態。這是實驗無法檢測到的振動-密西根州立大學團隊最終解開了一個數十年的謎團。

Piecuch和他的團隊沒有運行昂貴的實驗，而是開發了有效的計算策略來模擬這些實驗，他們做得比以前任何人都好。Piecuch說：「我們這一領域的大多數計算並不需要在研究中必須達到高精度水平，而且常常採用成本較低的計算模型。」我們必須考慮所有可能的物理效應，並理解在求解量子力學方程時忽略最細微細節的後果。」

他們的計算準確地再現了實驗導出的Mg2的振動和旋轉運動，以及觀測到的LIF光譜，精度高達1cm-1。這給研究人員提供了堅定的信心，他們對鎂二聚體的預測，包括難以捉摸的高位振動狀態的存在。

半個世紀以來科學家們一直迴避的Mg2的高振動狀態的例子終於結束了， 「量子力學是一個美麗的數學理論，有可能解釋分子和其他微觀現象的密切細節，」 Piecuch說，「我們以Mg2之謎為契機，證明了以第一原理量子力學為基礎的現代計算方法的預測能力不再局限於小而少的電子物種。」

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