量子计算解决了一个古老的谜-找到镁二聚体的振动状态

时间:2020-04-14 17:58 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

量子计算解决了一个古老的谜-找到镁二聚体的振动状态

镁二聚体(Mg2)的高振动态是基础物理研究中的一个重要体系,尽管它们半个世纪以来一直未能得到实验表征。到目前为止,实验物理学家已经解决了Mg2的前14个振动状态,尽管有报道称,它的基态可能支持另外5个能级。在一份新的报告中,Stephen H. Yuwono和美国密歇根州立大学物理系和化学系的一个研究小组,为Mg2的基态和激发态给出了非常精确的初始势能曲线。他们将实验研究集中在最先进的耦合簇(CC)计算和Mg2二聚体的全配置相互作用计算上。基态电势证实了19种振动状态的存在,与以前计算的振动值和实验数据之间的偏差极小。这些计算结果现在发表在《科学进展》杂志上,为用实验方法检测以前未解决的振动能级提供了指导。

背景

弱束缚碱土二聚体(AE2)可作为基本物理现象的探针,如超低温碰撞、掺杂的氦纳米液滴、二元反应、甚至光学晶格时钟和量子引力。镁二聚体对这类应用很重要,因为它有几个理想的特性,包括无毒性和最丰富的24Mg同位素中没有超精细结构,这通常有助于分析二元碰撞和其他量子现象。然而,Mg2作为一个较重的AE2样品的状态是复杂的,因为科学家们长期以来未能通过实验表征其高振动能级和基态势能曲线(PEC)。

实验检测的困难来自几个因素,包括小的能量差距,高振动之间的旋转效应和不利的频谱信噪比。1970年,物理学家Balfour和Douglas首次获得了Mg2的高分辨率光吸收光谱,并证明了带有v”>12的额外振动态(v)的存在。1973年,一个研究小组确定了v”= 13能级,并由此得出了一条支持19种振动状态的势能曲线。单靠实验工作是不够的,科学家们需要精确的理论计算来指导对Mg2的基态PEC和振动态的进一步分析。但只有少量的理论研究可以确定镁二聚体的振动流形。为了探测镁二聚体基态的振动流形,科学家们还必须在实验中涉及激发态电子。

量子计算解决了一个古老的谜-找到镁二聚体的振动状态

在目前的工作中,Yuwono等人利用量子力学提供了Mg2的基态PEC(势能曲线)和rovibrational的可靠计算,这是实验人员几十年来都无法做到的。在激发态的计算过程中,采用了运动耦合聚类方程(EOMCC)方法。由于此前未计算出除24Mg2以外的Mg2物种的rovibrational levels, Yuwono等人通过加入镁同位素来加强实验。例如,对于考虑的镁二聚体的两个电子势,他们检查了最丰富的24Mg2,其次是较重的同位素——24Mg25Mg;24 mg26mg;25毫克;mg26mg 25和26 mg2。

研究小组开始用PEC值和rovibrational术语来描述镁二聚体的基态和激发态。他们将处于基态的振动和旋转量子数(v和J)分别用双撇号表示,将处于激发态的量子数用撇号表示。然后,他们将以前的报告与当前的计算结果进行了比较,并提出了探测镁二聚体难以捉摸的13基态振动水平(v“> 13”)的潜在途径。科学家们计算了24Mg2及其相关同位素的离解能(De)和平衡键长(re),结果与现有数据吻合良好。该团队通过比较rovibrational terms和他们在之前的研究中计算出的实验对应项,进一步了解了他们对基态PEC的初始计算的质量。

量子计算解决了一个古老的谜-找到镁二聚体的振动状态

Yuwono等人使用激光诱导荧光(LIF)光谱来推断基态势能曲线,计算出感兴趣的作为荧光频率的ro振动跃迁。计算出的v”(振动)和J”(旋转)值以及基态空间的高质量使他们能够检测到v”> 13级的存在,而之前的实验检测没有检测到。该工作进一步表明,只有在分子旋转速度不太快的情况下,才能实现对Mg2高振动态的LIF光谱检测。

理论与实验以及基于理论的实验途径

根据LIF光谱,从激发态到基态的实验跃迁近乎完美地再现了,这为预测的初始电子结构和rovibrational计算提供了最有力的证据。基于理论和实验LIF谱的一致性,科学家们预测了涉及到难以捉摸的v”>13态的跃迁频率是准确的,这为将来进行足够的实验检测提供了指导。他们放大了LIF光谱的区域以克服信噪比,并掌握了从激发态到基态的转变。然而,密集的间距和重叠的线使得在v”= 14时的振动状态的实验识别非常困难。为了检测未来难以捉摸的v”= 14到18个振动能级,Yuwono等人采用了理论启发的实验方法,在最丰富的Mg二聚体的同位素24Mg2中,检测了感兴趣区域内的振动跃迁。

量子计算解决了一个古老的谜-找到镁二聚体的振动状态

通过这种方式,Stephen H. Yuwono和他的同事们使用了最先进的从头算量子力学方法来解开半个世纪以来的谜题,以检测镁二聚体难以捉摸的振动状态。元素在基础物理应用中起着重要的作用。该小组提供了24Mg2及其含量较少的同位素的高度精确的基态PEC和rovibrational值。随着旋转量子数(J)的增加,本实验中研究的难以捉摸的v“> 13振动态变得不受束缚,这给实验检测带来了困难,促使他们实施方法来克服这些挑战。这项工作提供了一个路线图,以实验性地识别涉及v”> 13能级的rovibronic跃迁。Yuwono等人希望这项研究能够为Mg2及其更重的类似物的新的光谱研究提供燃料,而Mg2是化学、原子、分子和光学物理交叉领域的重要现象。

?2020 Science X Network

当前位置:主页 > 物理知识 >

声明:本文小可爱科技知识网整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/wuli/1185.html

围观: 次 | 责任编辑:小可爱科技知识网



回到顶部