Дослідники з Рочестера оголосили про стратегію, щоб зрозуміти, як втрачається квантова когерентність молекул у розчинниках повної хімічної складності. Результати відкривають двері для раціональної модифікації квантової когерентності за допомогою хімічного дизайну та функціональності. Авторство: Енні Усто де Лаффон
Результати можна використовувати для розробки молекул із налаштованими властивостями квантової когерентності, закладаючи хімічну основу для нових квантових технологій.
У квантовій механіці частинки можуть існувати в кількох станах одночасно, що суперечить логіці повсякденних експериментів. Ця властивість, відома як квантова суперпозиція, є основою нових квантових технологій, які обіцяють трансформувати обчислення, комунікації та зондування. Але квантові суперпозиції стикаються з серйозною проблемою: квантовою некогерентністю. Під час цього процесу точна суперпозиція квантових станів руйнується під час взаємодії з оточуючим середовищем.
Проблема квантової декогеренції
Щоб вивільнити силу хімії для побудови складних молекулярних структур для практичних квантових застосувань, науковцям потрібно розуміти та контролювати квантову декогерентність, щоб вони могли розробляти молекули зі специфічними властивостями квантової когерентності. Для цього потрібно знати, як раціонально модифікувати хімічну структуру молекули, щоб змінити або послабити квантовий зв’язок. Для цього вченим потрібно знати «спектральну щільність» — величину, яка підсумовує, наскільки швидко рухається навколишнє середовище та наскільки сильно воно взаємодіє з квантовою системою.
Прорив у вимірюванні спектральної щільності
Досі вимірювання цієї спектральної щільності таким чином, щоб точно відображати складність молекул, залишалося теоретично та експериментально недосяжним. Але команда вчених розробила спосіб вилучення спектральної щільності молекул у розчинниках за допомогою простих резонансних експериментів Рамана, методу, який фіксує всю складність хімічних середовищ. Під керівництвом Ігнасіо Франко, доцента хімії та фізики Рочестерського університету, команда опублікувала свої висновки в журналі. Праці Національної академії наук.
Зв'язок молекулярної структури з квантовою декогеренцією
Використовуючи отриману спектральну щільність, можна не тільки зрозуміти, як швидко відбувається роз’єднання, але й визначити, яка частина хімічного середовища в основному за це відповідає. У результаті вчені тепер можуть відображати шляхи декогеренції, щоб зв’язати молекулярну структуру з квантовою декогеренцією.
“Хімія виникає з ідеї, що молекулярна структура визначає хімічні та фізичні властивості речовини. Цей принцип керує сучасним дизайном молекул для медицини, сільського господарства та енергетичних застосувань. Використовуючи цю стратегію, ми можемо нарешті почати розробляти принципи хімічного дизайну для нових квантові технології.
Резонансні експерименти Рамана: ключовий інструмент
Цей прорив стався, коли команда зрозуміла, що експерименти з комбінаційним резонансом дали всю інформацію, необхідну для вивчення роз’єднання з повною хімічною складністю. Такі експерименти зазвичай використовуються для вивчення фотофізики та фотохімії, але їх користь у квантовій декогеренції не була оцінена. Ключові ідеї виникли під час обговорення з Девідом МакКамантом, доцентом кафедри хімії Рочестерського університету та експертом у спектроскопії комбінаційного розсіювання, а також із Чанг-Ву Кімом, нині викладачем Національного університету Чоннам у Кореї та експертом із квантової декогеренції, коли він був доктором філософії в Рочестері.
Приклад: розщеплення тиміну
Команда використала свій метод, щоб вперше показати, як електронні конфігурації в тиміні, одному з основних елементів у будівництві… ДНКВін розпадається лише за 30 фемтосекунд (одна фемтосекунда становить одну мільйонну мільярдну секунди) після поглинання ультрафіолетового випромінювання. Вони виявили, що деякі коливання в молекулі домінують на початкових етапах процесу роз’єднання, тоді як розчинник домінує на пізніх стадіях. Крім того, вони виявили, що хімічні модифікації тиміну можуть різко змінити швидкість роз’єднання, при цьому взаємодії водневих зв’язків поблизу тимінового кільця призводять до швидшого роз’єднання.
Наслідки та майбутні застосування
Зрештою, дослідження команди відкриває шлях до розуміння хімічних принципів, які керують квантовою декогеренцією. «Ми раді використати цю стратегію, щоб зрозуміти квантову декогеренцію в молекулах повної хімічної складності та використовувати її для розробки молекул із сильними когезивними властивостями», — говорить Франко.
Довідка: Ігнасіо Джастін, Чанг-Ву Кім, Девід В. МакКамант і Ігнасіо Франко «Відображення шляхів електронного роз’єднання в молекулах», 28 листопада 2023 р. Праці Національної академії наук.
doi: 10.1073/pnas.2309987120
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
