Константин Гуричев
Редактор раздела "Наука"

Существование колебательных уровней, которые не могли поймать при помощи экспериментов, убедительно доказано методом моделирования.

Физики разгадали загадку магниевого димера

Колебательные уровни, полученные путем моделирования (показаны вертикальными красными вертикальными линиями), совпали с экспериментально наблюдаемыми линиями / P. Piecuch, S.H. Yuwono, I. Magoulas, Science Advances, 2020

Магниевый димер Mg2 — относительно неустойчивая молекула, состоящая из двух слабо связанных атомов, взаимодействующих согласно законам квантовой механики. Ученые видят в нем перспективу для понимания сложных явлений на стыке химии и физики ультрахолодных атомов. Однако использовать димер в качестве научного инструмента долгое время мешала загадка высоколежащих колебательных состояний.

Согласно теоретическим выкладкам, у димера магния должно быть 19 квантовых колебательных состояний; 14 из них были обнаружены во время экспериментов еще в 1970-х. Попытки провести детекцию остальных успехом не увенчались, и изучение димера отложили в сторону.

Статья ученых из Университета штата Мичиган, опубликованная в журнале Science Advances, демонстрирует решение этой загадки. «Наше тщательное исследование димера магния однозначно подтверждает существование 19 колебательных уровней, — говорит руководитель исследования Петр Пикуч. — Точно рассчитав кривые потенциальной энергии основного и возбужденного состояний, функцию дипольного момента перехода между ними и колебательные состояния, мы не только воспроизвели последние спектры лазерно-индуцированной флуоресценции (излучение фотонов молекулами, которые были возбуждены при помощи лазера. — Прим. ред.), но и предоставили руководство для будущего экспериментального обнаружения ранее недетектированных уровней».

Почему Пикуч и его коллеги смогли добиться успеха там, где у других ученых ничего не получилось? Ответ заключается в блестящей демонстрации предсказательной силы современных методологий изучения субатомных структур, которая помогла исследователям при столкновении с, казалось бы, неразрешимыми трудностями.

Физики разгадали загадку магниевого димера

Высоколежащие колебательные состояния магниевого димера, смоделированные учеными / P. Piecuch, S.H. Yuwono, I. Magoulas, Science Advances, 2020

«Присутствие столкновительных линий, возникающих при взаимодействии одной молекулы с другой, а также фоновые помехи привели к зашумлению экспериментально наблюдаемых спектров, — объясняет Пикуч. — Что еще хуже, те самые неуловимые высоколежащие колебательные состояния Mg2, которые десятилетиями ставили в тупик ученых, словно рассеиваются в воздухе, когда молекула начинает вращаться».

Вместо того чтобы проводить дорогостоящие и ресурсоемкие эксперименты, физики разработали высокоточную стратегию моделирования. Их расчеты, которые позволяли предсказать существование высоколежащих состояний, с высокой точностью воспроизвели экспериментально полученные колебательные и вращательные движения Mg2, а также наблюдаемые при проведении опытов спектры флуоресценции. Это дало возможность исключить наличие фундаментальных ошибок в расчетах.

«Квантовая механика — прекрасная математическая теория, которая может объяснить тонкие детали молекулярных и других микроскопических явлений, — говорит Пикуч. — Мы использовали загадку Mg2 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

 



Актуальные новости

  • Сутки
  • Неделя
  • Месяц