Symulacje kwantowe pozwalają odkryć egzotyczne zachowania elektronów w ekstremalnych polach magnetycznych
Indukcja pola magnetycznego wokół białego karła może sięgać nawet 100 000 T – tak niebotycznych wartości nie da się odtworzyć w laboratorium. Szczegółowe zrozumienie teorii tak silnych pól magnetycznych oraz sprzęt obliczeniowy, który mógłby sobie poradzić z takimi wartościami, przekładają się na dokładność obliczeń opisujących słabe pola magnetyczne, przez co ma kluczowe znaczenie nie tylko dla badań naukowych, lecz także dla konkretnych zastosowań. „Pola magnetyczne wytwarzane w laboratoriach są zbyt słabe, by wpływać na wiązania chemiczne małych cząsteczek, jednak istnieje efekt związany z rozmiarem, który pozwala powiązać wpływ oddziaływania silnych pól magnetycznych na małe cząsteczki z wpływem znacznie słabszych pól na duże cząsteczki”, wyjaśnia Erik Tellegren, koordynator projektu MAGSPEC finansowanego w ramach programu działań „Maria Skłodowska-Curie”.
Dynamika elektronu w stałym i zmiennym polu magnetycznym
„Obecność silnego pola magnetycznego ma ogromny wpływ na oddziaływania chemiczne i zjawiska z dziedziny fizyki cząsteczkowej. W obecności takich pól zmienia się charakter stanów elektronowych. Udało się nam opracować metody chemii obliczeniowej, które pozwalają badać stany wzbudzone i charakterystykę widma emisyjnego”, zauważa Tellgren. Zespół opracował równania robocze, które rozszerzają funkcjonalność pakietu obliczeniowego LONDON, który wykorzystuje dane dotyczące gaussowskich orbitali Londona, aby symulować zachowania układów cząsteczkowych w silnych polach magnetycznych. Badacze wykorzystali też przygotowany kod do symulowania elektronowych stanów wzbudzonych w małych obiektach cząsteczkowych znajdujących się w stałych (jednorodnych) lub zmiennych polach magnetycznych. „Pole magnetyczne zmieniające się w przestrzeni może powodować powstawanie egzotycznych zjawisk, które odpowiadają efektom znanym ze szczególnej teorii względności”, dodaje Tellgren. „Wyniki badań pokazują, w jaki sposób zmieniające się pole magnetyczne może wywoływać oddziaływania spinowo-orbitalne, czyli relatywistyczne oddziaływanie momentu spinowego elektronu z momentem orbitalnym, czyli oddziaływanie spinu elektronu z jego ruchem”.
Elektrony wymykające się regułom znanej chemii
Do opisu elektronów w stanie podstawowym stosuje się tak zwany model Hartee–Focka. Badacze użyli losowego przybliżenia czynnika fazowego dla silnych pól magnetycznych, co pozwoliło im opisać stany wzbudzone. Wyniki wykazały, że wzrost indukcji pola magnetycznego powoduje zmianę stanu podstawowego z singletów o zamkniętych powłokach na stany wielokrotne. Stany wzbudzone okazały się być bardziej wrażliwe na zmiany pola magnetycznego. Cząsteczki polarne, na przykład wodorek litu, poddane działaniu słabego pola magnetycznego przejawiały większą skłonność do zmiany stanu swoich elektronów. Uczeni odkryli też intrygujący mechanizm, którego prawdziwość będzie można potwierdzić w przyszłych badaniach. Niejednorodne pole magnetyczne indukuje niewspółliniowe gęstości spinów, co oznacza, że kierunki spinów zmieniają się w przestrzeni, by dopasować się do lokalnego pola magnetycznego. Gdyby w przestrzeni pojawiały się wyłącznie efekty wywołane obecnością pola magnetycznego, ułożenie spinów byłoby idealne, ale ponieważ elektrony oddziałują też między sobą oraz z jądrami atomowymi, faktyczne ułożenie spinów to złożona wypadkowa działania sił pola magnetycznego oraz efektów chemicznych. Oddziaływanie magnetyczne łamie także symetrie, które zwykle pojawiają się w przypadku spinów elektronowych. W efekcie pojawiają się niedozwolone w normalnych warunkach przejścia między stanami podstawowym i wzbudzonymi. Wynika to z faktu, że w obecności pola magnetycznego dozwolone stają się symetrie niezgodnych spinów. Badacze sprawdzili też wpływ niejednorodnych pól magnetycznych na indukowanie egzotycznej właściwości znanej jako toroidalny moment dipolowy w stanie podstawowym oraz względny wkład, jaki dają do niego spin i ruch po orbicie. Uczeni wyszli też nieco poza pierwotne ramy projektu i spróbowali znaleźć sposób na zaadaptowanie i usprawnienie jednej z najbardziej popularnych metod obliczeniowych – teorii funkcjonału gęstości – z myślą o obliczeniach dla cząsteczek w silnych polach magnetycznych. „Nasze badania dają niespotykaną możliwość bliższego spojrzenia na egzotyczną chemię atomów i cząsteczek, jaka pojawia się w silnych polach magnetycznych, a jednocześnie stanowią swoiste badanie obciążeniowe chemii kwantowej. Lepsze zrozumienie wpływu silnych pól magnetycznych na atomy i małe cząsteczki może też pomóc w interpretacji widm magnetycznych białych karłów i być może ukazać nam nowe możliwe do utworzenia wiązania chemiczne, które nie występują na Ziemi”, podsumowuje Tellgren.
Słowa kluczowe
MAGSPEC, pole magnetyczne, elektron, biały karzeł, małe cząsteczki, wiązania chemiczne, chemia obliczeniowa, oddziaływanie spinowo-orbitalne, chemia kwantowa
