镁二聚体，或称Mg2，是一种脆弱的分子，由两个弱相互作用的原子按量子力学定律结合在一起组成。最近，它已成为一种潜在的探测器，用于了解化学和超古老物理学交叉领域的基本现象，但它的应用一直被一个长达半个世纪之久的谜团所阻碍。五种高振动状态是理解镁原子如何相互作用的关键，但50年来一直未被发现。
最低的14个Mg2振动态是在20世纪70年代发现的，但是早期和最近的实验应该总共观察到了19个状态。就像一个量子冷的例子，寻找最后5个的实验努力失败了，Mg2几乎被遗忘了。直到现在。
彼得亚雷Piecuch,密歇根州立大学特聘教授和密歇根州立大学基础化学教授,与自然科学学院化学系研究生斯蒂芬·h·Yuwono和伊利亚斯Magoulas,开发新的计算派生证据表明,不仅在采用基于量子化学、量子飞跃但最终解决了50岁Mg2谜。
他们的发现最近发表在《科学进展》杂志上。
我们对镁二聚体的深入研究明确地证实了存在19个振动能级。他的研究小组已经在量子化学和物理领域活跃了20多年。通过精确计算基态和激发态的势能曲线，以及它们与共振态之间的跃迁偶极矩函数，我们不仅重现了最新的激光诱导荧光光谱，而且还为未来的实验检测提供了指导。
那么，为什么皮耶奇和他的团队能够在其他人多年失败的地方获得成功呢?
Yuwono和Magoulas的坚持无疑重新激起了人们对Mg2案例的兴趣，但答案在于该团队出色地展示了现代电子结构方法的预测能力，当实验遇到无法克服的困难时，这种方法起到了拯救作用。
由一个分子撞击另一个分子而产生的碰撞线的存在以及背景噪声干扰了实验观测到的LIF光谱;Piecuch解释道。更糟糕的是，当Mg2分子开始旋转时，令科学家们困惑了几十年的那种难以捉摸的高振动状态就会消散在稀薄的空气中。
皮耶奇和他的团队没有进行昂贵的实验，而是开发出高效的计算策略来模拟这些实验，而且他们做得比以前任何人都好。
就像Mg2的量子化振动状态一样，中间近似是不可接受的。他们几乎完全准确地解出了电子和核薛定谔方程——描述分子运动的量子物理学原理。
我们这个领域的大多数计算都不需要达到我们在研究中必须达到的高准确度水平，而且通常采用成本较低的计算模型，但我们提供了令人信服的证据，证明这在这里是行不通的。Piecuch说。我们必须考虑每一个可能的物理效应，并理解在求解量子力学方程时忽略最微小细节的后果。
他们的计算再现了实验中推导出的Mg2的振动和旋转运动，以及观测到的LIF光谱，具有很高的精度;准确地说是在1 cm-1的数量级上。这让研究人员有信心，他们对镁二聚体的预测，包括难以捉摸的高振动态的存在，是可靠的。
Yuwono和Magoulas显然对这个开创性的项目感到兴奋，但强调他们最初怀疑这个团队是否会成功。
一开始，我们甚至不确定我们是否能完成这项研究，尤其是考虑到镁二聚体中的电子数量和我们最先进的计算所要求的极端精确性。马古拉斯说，他已经在皮耶希的研究小组工作了四年多，并在密歇根州立大学教授高级量子化学课程。
我们在这个项目上投入的计算资源和我们要处理的数据量是巨大的，比我以前所有的计算加起来还要大得多。Yuwono补充道，她也在密歇根州立大学教授物理化学课程，自2017年以来一直在piecucho的研究小组工作。
Mg2的高振动状态让科学家们困惑了半个世纪之久的问题终于解决了，但破解它的计算细节完全公开，可以在Science Advances网站上找到。Yuwono, Magoulas和Piecuch希望他们的计算能够激发新的实验研究。
量子力学是一种美丽的数学理论，它有可能解释分子和其他微观现象的细节。Piecuch说。我们利用Mg2之谜作为一个机会来证明基于量子力学第一原理的现代计算方法的预测能力不再局限于小的、少电子的物质。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://msutoday.msu.edu/news/2020/msu-scientists-solve-half-century-old-magnesium-dimer-mystery/