Výsledky možno použiť na navrhovanie molekúl s prispôsobenými vlastnosťami kvantovej koherencie, čím sa položí chemický základ pre vznikajúce kvantové technológie.

V kvantovej mechanike môžu častice existovať vo viacerých stavoch súčasne, čo je v rozpore s logikou každodenných experimentov. Táto vlastnosť, známa ako kvantová superpozícia, je základom pre vznikajúce kvantové technológie, ktoré sľubujú transformáciu výpočtovej techniky, komunikácie a snímania. Kvantové superpozície však čelia veľkej výzve: kvantovej inkoherencii. Počas tohto procesu sa presná superpozícia kvantových stavov zrúti pri interakcii s okolitým prostredím.

Výzva kvantovej dekoherencie

Aby vedci mohli uvoľniť silu chémie na budovanie zložitých molekulárnych štruktúr pre praktické kvantové aplikácie, musia pochopiť a ovládať kvantovú dekoherenciu, aby mohli navrhnúť molekuly so špecifickými vlastnosťami kvantovej koherencie. To si vyžaduje vedieť, ako racionálne modifikovať chemickú štruktúru molekuly, aby sa modifikovala alebo uvoľnila kvantová väzba. Na tento účel potrebujú vedci poznať „spektrálnu hustotu“, veličinu, ktorá sumarizuje, ako rýchlo sa prostredie pohybuje a ako silne interaguje s kvantovým systémom.

Prelom v meraní spektrálnej hustoty

Doteraz bolo meranie tejto spektrálnej hustoty spôsobom, ktorý presne odráža zložitosť molekúl, teoreticky a experimentálne nepolapiteľné. Ale tím vedcov vyvinul spôsob, ako extrahovať spektrálnu hustotu molekúl v rozpúšťadlách pomocou jednoduchých rezonančných Ramanových experimentov, čo je metóda, ktorá zachytáva celú zložitosť chemických prostredí. Vedený Ignaciom Francom, docentom chémie a fyziky na Univerzite v Rochesteri, tím zverejnil svoje zistenia v časopise. Zborník Národnej akadémie vied.

Spojenie molekulárnej štruktúry s kvantovou dekoherenciou

Pomocou extrahovanej spektrálnej hustoty je možné nielen pochopiť, ako rýchlo dochádza k debondácii, ale aj určiť, ktorá časť chemického prostredia je za ňu väčšinou zodpovedná. Výsledkom je, že vedci teraz môžu zmapovať cesty dekoherencie na prepojenie molekulárnej štruktúry s kvantovou dekoherenciou.

„Chémia vychádza z myšlienky, že molekulárna štruktúra určuje chemické a fyzikálne vlastnosti hmoty. Tento princíp riadi moderný dizajn molekúl pre medicínu, poľnohospodárstvo a energetické aplikácie. Pomocou tejto stratégie môžeme konečne začať vyvíjať princípy chemického dizajnu pre vznikajúce kvantové technológie.

Rezonančné Ramanove experimenty: kľúčový nástroj

Tento prielom nastal, keď si tím uvedomil, že experimenty s Ramanovou rezonanciou priniesli všetky informácie potrebné na štúdium odpájania s úplnou chemickou zložitosťou. Takéto experimenty sa bežne používajú na štúdium fotofyziky a fotochémie, ale ich užitočnosť v kvantovej dekoherencii nebola ocenená. Kľúčové myšlienky vyplynuli z diskusií s Davidom McCamantom, docentom na Katedre chémie na Univerzite v Rochesteri a odborníkom na Ramanovu spektroskopiu, a s Chang-Woo Kimom, teraz členom fakulty Chonnamskej národnej univerzity v Kórei a odborníkom na kvantovej dekoherencie, kým bol post-PhD v Rochestri.

Prípadová štúdia: Oddeľovanie tymínu

Tím použil svoju metódu, aby po prvýkrát ukázal, ako elektrónové konfigurácie v tymíne, jednom zo základných prvkov pri budovaní… DNARozpadne sa len za 30 femtosekúnd (jedna femtosekunda je jedna milióntina miliardtiny sekundy) po absorpcii ultrafialového žiarenia. Zistili, že niektoré vibrácie v molekule dominujú v počiatočných krokoch procesu rozpájania, zatiaľ čo rozpúšťadlo dominuje v neskorších fázach. Okrem toho zistili, že chemické modifikácie tymínu môžu dramaticky zmeniť rýchlosť odpájania, pričom interakcie vodíkových väzieb v blízkosti tymínového kruhu vedú k rýchlejšiemu odpájaniu.

Dôsledky a budúce aplikácie

V konečnom dôsledku výskum tímu otvára cestu k pochopeniu chemických princípov, ktoré riadia kvantovú dekoherenciu. „Sme nadšení, že môžeme použiť túto stratégiu na pochopenie kvantovej dekoherencie v molekulách úplnej chemickej zložitosti a použiť ju na vývoj molekúl so silnými kohéznymi vlastnosťami,“ hovorí Franco.

Referencia: „Mapovanie elektronických odpájacích dráh v molekulách“ od Ignacia Justina, Chang-Woo Kima, Davida W. McCamanta a Ignacia Franca, 28. novembra 2023, Zborník Národnej akadémie vied.
doi: 10.1073/pnas.2309987120