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Spectra of Molecules in Strong Magnetic Fields

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Le simulazioni quantistiche svelano il comportamento insolito degli elettroni in campi magnetici estremi

I campi magnetici ultrapotenti che circondano le nane bianche possono far sì che gli elettroni che compongono i legami chimici si comportino in modi inconsueto. Nuovi metodi di calcolo forniscono un primo assaggio delle proprietà spettrali e chimiche degli elementi in campi magnetici da 100 a 1000 volte più intensi di quelli creati sulla Terra.

Ricerca di base
Spazio

I campi magnetici nelle nane bianche possono raggiungere circa 100 000 T, numeri enormi impossibili da replicare in laboratorio. La comprensione teorica dettagliata dei campi ad alta intensità e dei macchinari computazionali in grado di gestirli si ripercuote sulla precisione computazionale del comportamento dei campi deboli, che è fondamentale per potenziare non solo la ricerca scientifica ma anche le applicazioni del mondo reale. «I campi magnetici creati nei laboratori sono abbastanza deboli da influenzare i legami chimici nelle molecole piccole. Tuttavia, esiste un meccanismo dell’effetto dimensionale che associa l’impatto di campi intensi su molecole piccole a quello di campi molto più deboli su molecole più grandi», spiega Erik Tellgren, coordinatore di MAGSPEC, un progetto finanziato nell’ambito del programma azioni Marie Skłodowska-Curie.

Dinamica elettronica in campi magnetici costanti e variabili

«La chimica e la fisica molecolare possono differire notevolmente in presenza di un forte campo magnetico. Gli stati elettronici possono modificare il loro carattere. Abbiamo sviluppato con successo metodi di chimica computazionale per studiare gli stati eccitati e le caratteristiche dello spettro di emissione», osserva Tellgren. Il team ha ricavato equazioni di lavoro che ampliano la funzionalità di LONDON, un pacchetto software che utilizza orbitali atomici di tipo gaussiano per simulare sistemi molecolari in campi magnetici intensi. I ricercatori hanno anche usato il loro codice per simulare gli stati di eccitazione degli elettroni in molecole piccole soggette a campi magnetici costanti (uniformi) o variabili. «I campi magnetici che variano nello spazio potrebbero dare origine a fenomeni esotici che imitano gli effetti della relatività speciale», aggiunge Tellgren. «I risultati dello studio mostrano come un campo magnetico variabile provochi l’interazione spin-orbita, un’interazione relativistica dello spin dell’elettrone con il suo movimento.»

Gli elettroni infrangono le leggi della chimica nota

I ricercatori hanno adattato un modello noto come «teoria di Hartree-Fock» per descrivere gli stati fondamentali degli elettroni e hanno adattato l’approssimazione della fase casuale a campi magnetici intensi per descrivere gli stati eccitati. I risultati hanno dimostrato che quando l’intensità del campo aumenta, gli stati fondamentali cambiano da singoletti a guscio chiuso a stati di molteplicità più elevata. Ne derivano stati eccitati più sensibili ai cambiamenti del campo magnetico. Le molecole polari come l’idruro di litio soggette a campi più deboli erano più inclini a cambiare il loro stato elettronico. Un meccanismo interessante da verificare riguarda il fatto che un campo magnetico non uniforme induca densità di spin non collineari, dove la direzione di spin varia nello spazio per allinearsi con il campo magnetico locale. Se fossero presenti solo gli effetti del campo magnetico, tale allineamento sarebbe perfetto. Ma poiché gli elettroni interagiscono tra loro e con i nuclei atomici, l’allineamento effettivo rappresenta una complessa competizione tra forze magnetiche ed effetti chimici. Le forze magnetiche rompono anche le simmetrie che si applicano tipicamente agli spin degli elettroni. Di conseguenza, adesso sono consentite le transizioni tra lo stato fondamentale ed eccitato, che normalmente sono vietate a causa di simmetrie di spin incompatibili. I ricercatori hanno anche studiato come i campi magnetici non uniformi inducano una proprietà esotica nota come momento di dipolo toroidale nello stato fondamentale e hanno studiato i contributi relativi dello spin e del movimento orbitale. Estendendo l’ambito originale del progetto, i ricercatori hanno cercato di adattare e perfezionare uno dei metodi computazionali più popolari, la teoria del funzionale della densità, per le molecole in campi magnetici intensi. «La nostra ricerca offre scorci allettanti sulla chimica esotica di atomi e molecole in campi magnetici intensi, e al contempo un test di resistenza per la chimica quantistica. Un’ulteriore comprensione di come i campi magnetici intensi influenzino gli atomi e le molecole piccole potrebbe inoltre aiutare a interpretare gli spettri magnetici delle nane bianche e a scoprire possibili nuovi legami chimici che non si verificano sulla Terra», conclude Tellgren.

Parole chiave

MAGSPEC, campo magnetico, elettrone, nana bianca, molecole piccole, legami chimici, chimica computazionale, interazione spin-orbita, chimica quantistica

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