Para ilmuwan memecahkan misteri magnesium dimer setengah abad – Sains Terkini

Magnesium dimer (Mg2) adalah molekul rapuh yang terdiri dari dua atom yang berinteraksi lemah yang disatukan oleh hukum mekanika kuantum. Baru-baru ini muncul sebagai penyelidikan potensial untuk memahami fenomena fundamental di persimpangan kimia dan fisika lewat dingin, tetapi penggunaannya telah digagalkan oleh teka-teki berusia setengah abad – lima keadaan getaran tinggi yang memegang kunci untuk memahami bagaimana atom magnesium berinteraksi tetapi tidak terdeteksi selama 50 tahun.

Keadaan getaran Mg2 terendah yang ditemukan pada tahun 1970-an, tetapi percobaan awal dan baru-baru ini seharusnya mengamati total sembilan belas keadaan. Seperti kasus dingin kuantum, upaya percobaan untuk menemukan lima yang terakhir gagal, dan Mg2 hampir dilupakan. Sampai sekarang.

Piotr Piecuch, Guru Besar Universitas Michigan State dan profesor kimia Yayasan MSU, bersama dengan mahasiswa pascasarjana Fakultas Ilmu Alam Stephen H. Yuwono dan Ilias Magoulas, mengembangkan bukti baru yang diturunkan secara komputasi yang tidak hanya membuat lompatan kuantum sebagai yang pertama- prinsip-prinsip kimia kuantum, tetapi akhirnya memecahkan misteri Mg2 yang berusia 50 tahun.

Temuan mereka baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Kemajuan Sains.

"Investigasi menyeluruh kami terhadap dimer magnesium secara jelas menegaskan keberadaan 19 level getaran," kata Piecuch, yang kelompok penelitiannya telah aktif dalam kimia kuantum dan fisika selama lebih dari 20 tahun. "Dengan menghitung secara akurat kurva potensial energi keadaan dasar dan tereksitasi, fungsi momen dipol transisi antara mereka dan keadaan rovibrasional, kami tidak hanya mereproduksi spektrum fluoresensi terinduksi laser (LIF) terbaru, tetapi kami juga menyediakan panduan untuk masa depan deteksi eksperimental dari level yang sebelumnya tidak terselesaikan. "


Jadi mengapa Piecuch dan timnya dapat berhasil di mana orang lain telah gagal selama bertahun-tahun?

Kegigihan Yuwono dan Magoulas tentu saja membangkitkan kembali minat pada kasus Mg2, tetapi jawabannya terletak pada demonstrasi tim yang brilian tentang kekuatan prediksi metodologi struktur elektronik modern, yang datang untuk menyelamatkan ketika eksperimen menghadapi kesulitan yang tak terhitung.

"Kehadiran garis tumbukan yang berasal dari satu molekul menabrak molekul lain dan kebisingan latar belakang mengeraskan spektrum LIF yang diamati secara eksperimental," jelas Piecuch. "Untuk membuat keadaan menjadi lebih buruk, keadaan getaran Mg2 dataran tinggi yang sulit dipahami yang membingungkan para ilmuwan selama beberapa dekade menghilang ke udara tipis ketika molekul mulai berputar."

Alih-alih menjalankan eksperimen yang mahal, Piecuch dan timnya mengembangkan strategi komputasi efisien yang mensimulasikan eksperimen tersebut, dan mereka melakukannya dengan lebih baik daripada yang pernah dilakukan siapa pun sebelumnya.

Seperti keadaan getaran terkuantisasi dari Mg2, perkiraan di antara keduanya tidak dapat diterima. Mereka memecahkan persamaan Schrödinger elektronik dan nuklir, prinsip fisika kuantum yang menggambarkan gerakan molekuler, dengan akurasi yang hampir lengkap.

"Mayoritas perhitungan di bidang kami tidak memerlukan tingkat akurasi tinggi yang harus kami capai dalam studi kami dan sering menggunakan model komputasi yang lebih murah, tetapi kami memberikan bukti kuat bahwa ini tidak akan bekerja di sini," kata Piecuch. "Kami harus mempertimbangkan setiap efek fisik yang mungkin dan memahami konsekuensi dari mengabaikan detail terkecil sekalipun ketika menyelesaikan persamaan mekanika kuantum."

Perhitungan mereka mereproduksi gerakan getaran dan rotasi Mg2 yang diperoleh secara eksperimental dan spektra LIF yang diamati dengan presisi luar biasa – tepatnya pada urutan 1 cm-1, tepatnya. Ini memberikan para peneliti dengan keyakinan bahwa prediksi mereka mengenai dimer magnesium, termasuk keberadaan kondisi getaran dataran tinggi yang sulit dipahami, adalah kuat.

Yuwono dan Magoulas jelas bersemangat tentang proyek peletakan batu pertama, tetapi menekankan bahwa mereka memiliki keraguan awal apakah tim akan berhasil.

"Pada awalnya, kami bahkan tidak yakin apakah kami dapat melakukan penyelidikan ini, terutama mengingat jumlah elektron dalam dimer magnesium dan akurasi ekstrem yang diperlukan oleh perhitungan canggih kami," kata Magoulas, yang memiliki bekerja di kelompok riset Piecuch selama lebih dari empat tahun dan mengajar kursus kimia kuantum tingkat senior di MSU.

"Sumber daya komputasi yang harus kami berikan pada proyek dan jumlah data yang kami proses sangat besar – jauh lebih besar dari semua perhitungan saya sebelumnya," tambah Yuwono, yang juga mengajar kursus kimia fisik di MSU dan telah bekerja di Kelompok riset Piecuch sejak 2017.

Kasus keadaan getaran tinggi Mg2 yang menghindar dari ilmuwan selama setengah abad akhirnya ditutup, tetapi rincian perhitungan yang memecahkannya sepenuhnya terbuka dan dapat diakses di situs web Science Advances. Yuwono, Magoulas, dan Piecuch berharap bahwa perhitungan mereka akan menginspirasi studi eksperimental baru.

"Mekanika kuantum adalah teori matematika yang indah dengan potensi menjelaskan rincian intim dari fenomena molekuler dan mikroskopis lainnya," kata Piecuch. "Kami menggunakan misteri Mg2 sebagai kesempatan untuk menunjukkan bahwa kekuatan prediktif metodologi komputasi modern berdasarkan prinsip pertama mekanika kuantum tidak lagi terbatas pada spesies elektron yang kecil dan sedikit."


You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.