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