[논문 리뷰] Cold interactions and chemical reactions of linear polyatomic anions with alkali-metal and alkaline-earth-metal atoms

Tomza, Micha{\l}|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 25.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 CCSD(T)와 상대론적 등가전자포텐셜을 사용하여 선형 다원자 음이온(OH⁻, CN⁻, NCO⁻, C₂H⁻, C₄H⁻)과 알칼리/알칼리 earth 금속 원자 간의 냉각 충돌에 대한 ab initio 잠재에너지 표면(PESs)을 계산한다. 장거리 유도 상호작용이 지배하는 보편적인 상호작용을 규명하고, 향후 하이브리드 이온-원자 시스템에서의 동반 냉각 및 초냉각 화학의 양자 제어를 가능하게 하는 반응 경로를 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 선형 다원자 음이온과 초냉각 알칼리/알칼리 earth 금속 원자 간의 분자 간 상호작용 및 화학 반응 경로를 조사하기 위해.
• 최신 양자 화학 방법을 사용하여 고정밀 잠재에너지 표면(PESs)을 계산하기 위해.
• 이러한 시스템의 장거리 유도 및 분산 상호작용 계수를 특성화하기 위해.
• 초냉각 하이브리드 이온-원자 시스템에서의 동반 냉각 및 제어 가능한 화학 반응의 가능성 평가하기 위해.
• 향후 산산산산 및 동역학 시뮬레이션을 위한 기준 PESs 제공하기 위해.

제안 방법

• 정확한 전자 구조 계산을 위해 제한된 개구리 화이트-포함 하트리-폭의 오비탈을 사용한 CCSD(T)를 적용하였다.
• 상호작용 에너지 계산에서 기저함수 초과오차를 제거하기 위해 카운터포즈 보정을 사용하였다.
• 더 무거운 원자(K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba)에 대해 소형 코어 상대론적 에너지 일관성 등가전자포텐셜을 적용하였다.
• 자이아코비 좌표를 사용하여 원자 간 거리 R과 각도 θ에 대한 함수로 PESs를 계산하였다.
• 퍼터베이션 이론를 통해 장거리 등방성 및 비등방성 유도 및 분산 계수를 추출하였다.
• 경량 원자와 무거운 원자에 각각 aug-cc-pCVQZ 및 aug-cc-pCV5Z 기저함수 집합을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 온도에서 선형 다원자 음이온과 알칼리/알칼리 earth 금속 원자 간 충돌에 대한 잠재에너지 표면(PESs)은 어떻게 되는가?
• RQ2 장거리 유도 및 분산 상호작용이 PESs를 지배하는 이유는 무엇이며, 주요 계수는 무엇인가?
• RQ3 이러한 음이온-원자 시스템에서 에너적으로 유리한 화학 반응 경로는 무엇인가?
• RQ4 이러한 시스템은 다원자 음이온을 초냉각 온도로 동반 냉각할 수 있는가?
• RQ5 다양한 음이온-원자 조합 간의 PESs에서 보이는 보편적 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 모든 연구된 시스템의 PESs는 장거리 유도 상호작용에 의해 지배되며, 극성 폐쇄 껍질 음이온과 유도 가능성이 높은 원자 간 상호작용의 특징을 보이는 보편적인 특성을 나타낸다.
• 퍼터베이션 이론를 통해 고정밀로 장거리 등방성 및 비등방성 유도 계수를 계산하였다.
• 선택된 시스템(OH⁻–Li, CN⁻–Na 등)에 대한 이중 차원 PESs를 제공하였으며, 산산산산 계산에 적합하다.
• 화학 반응은 C₂H⁻과 알칼리 금속의 조합에서만 유리한 발열성 덕분에 에너적으로 실현 가능하다.
• 등가전자포텐셜을 통한 스칼라 상대론적 효과의 포함은 Cs와 Ba와 같은 더 무거운 금속 원자에 대해 정확도를 크게 향상시켰다.
• 결과는 향후 실험적으로 동반 냉각과 다원자 음이온을 이용한 제어 가능한 양자 화학의 실현을 위한 기초를 마련하였다.