[論文レビュー] Cold interactions and chemical reactions of linear polyatomic anions with alkali-metal and alkaline-earth-metal atoms

Tomza, Micha{\l}|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、CCSD(T)と相対論的擬スレーター汎関数を用いて、線形多原子陰イオン（OH⁻、CN⁻、NCO⁻、C₂H⁻、C₄H⁻）とアルカリ金属／アルカリ土族金属原子の超低温衝突におけるab initioポテンシャルエネルギー表面（PESs）を計算した。長距離領域の誘導支配型相互作用が普遍的であることが特定され、反応経路の実現可能性が予測され、今後のハイブリッドイオン-原子系における共鳴冷却と超低温化学の量子制御が可能になる。

ABSTRACT

We consider collisional studies of linear polyatomic ions immersed in ultracold atomic gases and investigate the intermolecular interactions and chemical reactions of several molecular anions ($\mathrm{OH}^-$, $\mathrm{CN}^-$, $\mathrm{NCO}^-$, $\mathrm{C}_2\mathrm{H}^-$, $\mathrm{C}_4\mathrm{H}^-$) with alkali-metal (Li, Na, K, Rb, Cs) and alkaline-earth-metal (Mg, Ca, Sr, Ba) atoms. State-of-the-art ab initio techniques are applied to compute the potential energy surfaces (PESs) for these systems. The coupled cluster method restricted to single, double, and noniterative triple excitations, CCSD(T), is employed and the scalar relativistic effects in heavier metal atoms are modeled within the small-core energy-consistent pseudopotentials. The leading long-range isotropic and anisotropic induction and dispersion interaction coefficients are obtained within the perturbation theory. The PESs are characterized in detail and their universal similarities typical for systems dominated by the induction interaction are discussed. The two-dimensional PESs are provided for selected systems and can be employed in scattering calculations. The possible channels of chemical reactions and their control are analyzed based on the energetics of reactants. The present study of the electronic structure is the first step towards the evaluation of prospects for sympathetic cooling and controlled chemistry of linear polyatomic ions with ultracold atoms.

研究の動機と目的

• 線形多原子陰イオンと超低温アルカリ／アルカリ土族金属原子間の分子間相互作用および化学反応経路を調査すること。
• 最先端の量子化学手法を用いて高精度なポテンシャルエネルギー表面（PESs）を計算すること。
• これらの系における長距離領域の誘導および分散相互作用係数を特徴づけること。
• 超低温ハイブリッドイオン-原子系における共鳴冷却および制御された化学反応の実現可能性を評価すること。
• 今後の散乱および動的シミュレーションのベンチマークPESを提供すること。

提案手法

• 高精度な電子構造計算のため、制限付き開殻ハートリー・フォック軌道を用いたCCSD(T)を採用した。
• 相互作用エネルギー計算における基底関数の重なり誤差を排除するために、カウンタポイズ補正を適用した。
• 重い原子（K、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba）に対して、小コアを含む相対論的エネルギー一貫性擬ポテンシャルを用いた。
• ジャコビ座標を用いて、原子間距離Rと角度座標θの関数としてPESを計算した。
• 摂動論を用いて長距離領域の等方的および非等方的誘導および分散係数を抽出した。
• 軽い原子と重い原子の両方に、それぞれaug-cc-pCVQZおよびaug-cc-pCV5Z基底関数を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温温度における線形多原子陰イオンとアルカリ／アルカリ土族金属原子の衝突におけるポテンシャルエネルギー表面（PESs）はどのようなものか？
• RQ2 長距離領域の誘導および分散相互作用がPESをどのように支配しているか、そしてその主要係数は何か？
• RQ3 これらの陰イオン-原子系でエネルギー的に有利な化学反応チャネルは何か？
• RQ4 これらの系は、多原子陰イオンを超低温にまで共鳴冷却可能か？
• RQ5 異なる陰イオン-原子組み合わせ間でPESに共通する特徴は何か？

主な発見

• 全系においてPESは長距離領域の誘導相互作用によって支配されており、極性を有する閉殻陰イオンと極性分散性原子の間の普遍的特徴を示している。
• 摂動論を用いて、高精度で長距離領域の等方的および非等方的誘導係数を計算した。
• 特定の系（例：OH⁻–Li、CN⁻–Na）の2次元PESを提供し、散乱計算に適している。
• 化学反応は、C₂H⁻とアルカリ金属の組み合わせに限って、好都合な発熱性によりエネルギー的に実現可能である。
• 擬ポテンシャルによるスカラー相対論的効果の取り入れにより、Cs や Ba などの重い金属原子に対して精度が著しく向上した。
• 本研究の結果は、今後の実験的共鳴冷却および多原子陰イオンを用いた制御された量子化学の実現に基盤を提供する。