El dímero de magnesio Mg2 es una molécula frágil que consta de dos átomos que interactúan débilmente unidos por las leyes de la mecánica cuántica. Recientemente ha surgido como una posible sonda para comprender fenómenos fundamentales en la intersección de la química y la física ultrafría, pero su usoha sido frustrado por un enigma de medio siglo de antigüedad: cinco estados vibracionales elevados que son la clave para comprender cómo interactúan los átomos de magnesio, pero han evitado su detección durante 50 años.
Los catorce estados vibratorios de Mg2 más bajos se descubrieron en la década de 1970, pero tanto los primeros experimentos como los recientes deberían haber observado un total de diecinueve estados. Al igual que en el caso del frío cuántico, los esfuerzos experimentales para encontrar los últimos cinco fracasaron, y el Mg2 fue casi olvidado.Hasta ahora.
Piotr Piecuch, profesor distinguido de la Universidad Estatal de Michigan y profesor de química de la Fundación MSU, junto con los estudiantes de posgrado del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Naturales Stephen H. Yuwono e Ilias Magoulas, desarrollaron nuevas pruebas derivadas de la computación que no solo dieron un salto cuántico enquímica cuántica de los primeros principios, pero finalmente resolvió el misterio del Mg2 de 50 años.
Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Avances científicos .
"Nuestra investigación exhaustiva del dímero de magnesio confirma inequívocamente la existencia de 19 niveles de vibración", dijo Piecuch, cuyo grupo de investigación ha estado activo en química y física cuántica durante más de 20 años ".las curvas de energía potencial del estado, la función del momento dipolar de transición entre ellas y los estados rovibracionales, no solo reproducimos los últimos espectros de fluorescencia inducida por láser LIF, sino que también proporcionamos orientación para la futura detección experimental de los niveles previamente no resueltos ".
Entonces, ¿por qué Piecuch y su equipo pudieron tener éxito donde otros habían fallado durante tantos años?
La persistencia de Yuwono y Magoulas ciertamente revivió el interés en el caso de Mg2, pero la respuesta radica en la brillante demostración del equipo del poder predictivo de las metodologías modernas de estructura electrónica, que acudieron al rescate cuando los experimentos encontraron dificultades insuperables.
"La presencia de líneas de colisión que se originan de una molécula que golpea a otra y el ruido de fondo enturbiaron los espectros LIF observados experimentalmente", explicó Piecuch. "Para empeorar las cosas, los escurridizos estados vibratorios altos de Mg2 que desconcertaron a los científicos durante décadas se disipanen el aire cuando la molécula comienza a girar "
En lugar de realizar experimentos costosos, Piecuch y su equipo desarrollaron estrategias computacionales eficientes que simularon esos experimentos, y lo hicieron mejor que nadie antes.
Al igual que los estados vibracionales cuantificados de Mg2, las aproximaciones intermedias no eran aceptables. Resolvieron las ecuaciones Schrödinger electrónicas y nucleares, principios de la física cuántica que describen movimientos moleculares, con una precisión casi completa.
"La mayoría de los cálculos en nuestro campo no requieren los altos niveles de precisión que tuvimos que alcanzar en nuestro estudio y, a menudo, recurrimos a modelos computacionales menos costosos, pero proporcionamos pruebas convincentes de que esto no funcionaría aquí", dijo Piecuch ".Tuvimos que considerar cada efecto físico concebible y comprender las consecuencias de descuidar incluso los detalles más pequeños al resolver las ecuaciones mecánicas cuánticas ".
Sus cálculos reprodujeron con precisión los movimientos vibratorios y rotacionales derivados de experimentalmente de Mg2 y los espectros LIF observados, del orden de 1 cm-1, para ser exactos. Esto proporcionó a los investigadores la confianza de que sus predicciones con respecto al dímero de magnesio, incluida la existencia de los escurridizos estados vibratorios elevados, eran firmes.
Yuwono y Magoulas estaban claramente entusiasmados con el proyecto innovador, pero enfatizaron que tenían dudas iniciales sobre si el equipo sería exitoso.
"Al principio, ni siquiera estábamos seguros de poder llevar a cabo esta investigación, especialmente teniendo en cuenta la cantidad de electrones en el dímero de magnesio y las precisiones extremas requeridas por nuestros cálculos de vanguardia", dijo Magoulas,quien ha trabajado en el grupo de investigación de Piecuch durante más de cuatro años y enseña cursos de química cuántica de alto nivel en MSU.
"Los recursos computacionales que tuvimos que arrojar al proyecto y la cantidad de datos que tuvimos que procesar fueron inmensos, mucho más grandes que todos mis cálculos anteriores combinados", agregó Yuwono, quien también imparte cursos de química física en MSU y tienetrabajó en el grupo de investigación de Piecuch desde 2017.
El caso de los estados vibratorios elevados de Mg2 que evadieron a los científicos durante medio siglo finalmente se cierra, pero los detalles de los cálculos que lo descifraron están completamente abiertos y accesibles en el sitio web de Science Advances. Yuwono, Magoulas y PiecuchEsperamos que sus cálculos inspiren nuevos estudios experimentales.
"La mecánica cuántica es una hermosa teoría matemática con el potencial de explicar los detalles íntimos de los fenómenos moleculares y otros fenómenos microscópicos", dijo Piecuch. "Utilizamos el misterio del Mg2 como una oportunidad para demostrar que el poder predictivo de las metodologías computacionales modernas se basa enla mecánica cuántica de los primeros principios ya no se limita a especies pequeñas de pocos electrones "
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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