Magnetic Chemistry

På jorden blir kjemien bestemt av de elektriske kreftene som virker mellom elektronene og kjernene som utgjør molekyler. Situasjonen er imidlertid annerledes på andre himmellegemer. På mange hvite dverger, det siste stadiet i utviklingen av de fleste stjerner, inkludert solen, er magnetfeltene så kraftige at de endrer kjemien. Dette skyldes at de magnetiske kreftene som påvirker elektronene og kjernene i molekylene der er like sterke som de elektriske kreftene. På disse "magnetiske hvite dvergene" krymper atomene, og de binder seg til hverandre på nye måter. Denne eksotiske kjemien kan for øyeblikket kun studeres teoretisk, ved å simulere molekyler i magnetfelt ved hjelp av kvantemekanikk. Slike metoder har blitt utviklet i vår forskningsgruppe de siste årene og har gitt spennende innsikt i kjemien på andre himmellegemer. Vi har blant annet oppdaget en helt ny mekanisme for kjemisk binding, kalt paramagnetisk binding, generert av elektronstrømmer i magnetfeltet. Imidlertid har alle våre tidligere studier av kjemi i sterke magnetfelt vært begrenset til statiske egenskaper som molekylstruktur og kjemisk binding. I prosjektet "Magnetisk kjemi" har vi rettet fokus mot dynamikken til molekyler i sterke magnetfelt og har utviklet de første generelle metodene for å beregne molekylbevegelser i slike felt. En slik simulering av molekylers dynamikk er nødvendig for å beregne molekylære spektra i sterke magnetfelt. Nøyaktig beregnede spektra er avgjørende for å identifisere molekyler på magnetiske hvite dverger, da spektrene fungerer som fingeravtrykk for molekylene. Uten kjenne fingeravtrykkene vet vi ikke hva vi skal lete etter. Molekylær dynamikk (og dermed spektra) påvirkes kraftig av et sterkt magnetfelt. For det første endres molekylstrukturen og bindingsforholdene på grunn av feltet, noe som igjen påvirker kreftene på atomene og dermed molekylens dynamikk. Denne effekten er relativt enkel å inkludere i våre beregninger, basert på tidligere arbeid. For det andre består et molekyl av ladete partikler (positive kjerner og negative elektroner), som derfor påvirkes av Lorentz-kraften avhengig av partiklenes bevegelse i magnetfeltet. Slike krefter har ikke blitt beregnet kvantemekanisk tidligere. Innenfor den såkalte Born–Oppenheimer-approksimasjonen er det to bidrag til Lorentz-kraften på hvert atom i et molekyl: ett fra kjernen og ett fra elektronene. Mens kjernebidraget er enkelt å beregne, så er elektronenes bidrag langt mer utfordrende og avhenger av det geometriske vektorpotensialet i magnetfeltet. Vi har utviklet avanserte metoder til å beregne vektorpotensialet og dermed elektronenes bidrag til Lorentz-kraften, for vilkårlige geometrier og orienteringer av molekylet i magnetfeltet. Vi har deretter beregnet molekylenes bevegelser i et magnetfelt ved å integrere kreftene på hvert atom. Fra disse bevegelsene har vi til slutt bestemt molekylære spektra i magnetfelt svarende til betingelsene på magnetiske hvite dverger. Disse spektra avviker sterkt fra tilsvarende spektra på jorden. En viktig forskjell er knyttet til molekylenes rotasjon. I fravær av et magnetfelt vil et molekyl rotere fritt. Når et magnetfelt pålegges, hindres den frie rotasjonen. I et tilstrekkelig sterkt felt, vil rotasjonen stanse helt opp, og molekylet vil i stedet vippe frem og tilbake om en akse som står normalt på feltretningen. Dette gir opphav til nye linjer i molekylets spektrum, avhengig av feltstyrken. Et typisk trekk er også at vibrasjonelle bånd blåskiftes i et magnetfelt, som en følge av at bindingene styrkes av feltet.

Prosjektet har gitt en første innsikt i hvordan molekylers dynamikk påvirkes av sterke magnetfelt og for første gang gjort det mulig å beregne teoretisk spektra fra molekyler i slike magnetfelt. Slike spektra vil kunne benyttes som molekylære fingeravtrykk ved identifikasjon av molekyler på magnetisk hvite dverger. Det utviklingsarbeidet som ligger bak slike beregninger krever har gitt oss nye teoretiske verktøy og algoritmer til den kvantemekaniske beskrivelse av molekylære systemer, spesielt molekyler med komplisert elektronstruktur.

On Earth, chemistry is governed by the Coulomb interactions between electrons and nuclei, the effect of magnetism being weak and subtle. Elsewhere in the universe, the situation is different. On many white dwarf stars, the magnetic forces acting on the particles are as strong as the electric forces. Their complicated interplay sets up an exotic chemistry of egg-shaped atoms, dramatically affecting structure and reactivity of molecules. In the project Magnetic Chemistry, such chemistry will be studied theoretically, using the tools of quantum chemistry. Apart from shedding light on a fascinating chemistry that cannot be experienced by us directly, the study of chemistry in ultra-strong magnetic fields has experimental relevance in astrophysics. Atomic spectra have for a long time been observed on magnetic white dwarf stars and are used to map the field strength on their surface. Very recently, the first observation of molecules on nonmagnetic white dwarf stars has been made, indicating that there is every reason to believe that molecules exist also on magnetic white dwarf stars but they cannot be found without reliable quantum-chemical predictions. So far, only small molecules have been studied in strong magnetic fields and such studies have revealed many fascinating and unexpected phenomena such as a new chemical bonding mechanism. In the present project, we target larger and more complex systems, combining studies of energetics with molecular dynamics. The development of molecular dynamics will enable us to study for the first time the effect of strong magnetic fields on chemical reactions. We are, in particular, interested in the stability of larger molecules and their decay paths.