Новая стратегия раскрывает «полную химическую сложность» квантовой декогеренции

Исследователи из Рочестера объявили о стратегии, позволяющей понять, как квантовая когерентность молекул теряется в растворителях полной химической сложности. Результаты открывают дверь к рациональной модификации квантовой когерентности посредством химического дизайна и функционализации. Фото: Анни Усто де Лаффон.

Результаты могут быть использованы для создания молекул с индивидуальными свойствами квантовой когерентности, что заложит химическую основу для новых квантовых технологий.

В квантовой механике частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, что противоречит логике повседневных экспериментов. Это свойство, известное как квантовая суперпозиция, является основой для новых квантовых технологий, которые обещают трансформировать вычисления, коммуникации и зондирование. Но квантовые суперпозиции сталкиваются с серьезной проблемой: квантовой некогерентностью. Во время этого процесса точная суперпозиция квантовых состояний разрушается при взаимодействии с окружающей средой.

Проблема квантовой декогеренции

Чтобы раскрыть потенциал химии для создания сложных молекулярных структур для практических квантовых приложений, ученым необходимо понимать и контролировать квантовую декогерентность, чтобы они могли создавать молекулы с особыми свойствами квантовой когерентности. Для этого необходимо знать, как рационально изменить химическую структуру молекулы, чтобы изменить или ослабить квантовые связи. Для этого ученым необходимо знать «спектральную плотность» — величину, которая суммирует, насколько быстро движется среда и насколько сильно она взаимодействует с квантовой системой.

Прорыв в измерении спектральной плотности

До сих пор измерение этой спектральной плотности таким образом, чтобы точно отражать сложность молекул, оставалось теоретически и экспериментально невозможным. Но группа ученых разработала способ определения спектральной плотности молекул в растворителях с помощью простых экспериментов с резонансным комбинационным рассеянием, метод, который отражает всю сложность химической среды. Команда под руководством Игнасио Франко, доцента кафедры химии и физики Рочестерского университета, опубликовала свои выводы в журнале. Труды Национальной академии наук.

Связь молекулярной структуры с квантовой декогеренцией

Используя извлеченную спектральную плотность, можно не только понять, как быстро происходит отслоение, но и определить, какая часть химической среды в наибольшей степени ответственна за него. В результате ученые теперь могут картировать пути декогеренции, чтобы связать молекулярную структуру с квантовой декогеренцией.

«Химия возникает из идеи, что молекулярная структура определяет химические и физические свойства материи. Этот принцип лежит в основе современного дизайна молекул для медицины, сельского хозяйства и энергетики. Используя эту стратегию, мы можем, наконец, начать разрабатывать принципы химического дизайна для новых квантовые технологии.

Резонансные рамановские эксперименты: ключевой инструмент

Этот прорыв произошел, когда команда осознала, что эксперименты по рамановскому резонансу дали всю информацию, необходимую для изучения процесса разрыва связи с полной химической сложностью. Такие эксперименты обычно используются для изучения фотофизики и фотохимии, но их полезность для квантовой декогеренции не оценена по достоинству. Ключевые идеи возникли в ходе дискуссий с Дэвидом Маккамантом, доцентом химического факультета Рочестерского университета и экспертом по рамановской спектроскопии, а также с Чанг-Ву Кимом, ныне преподавателем Национального университета Чоннам в Корее и экспертом в области рамановской спектроскопии. квантовую декогерентность, когда он был доктором наук в Рочестере.

Практический пример: устранение тимина

Команда использовала свой метод, чтобы впервые показать, как электронное перекрытие происходит в тимине, одном из фундаментальных химических элементов. ДНКОн распадается всего за 30 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна одной миллионной миллиардной секунды) после поглощения ультрафиолетового излучения. Они обнаружили, что некоторые вибрации в молекуле доминируют на начальных этапах процесса разрыва связи, тогда как растворитель доминирует на более поздних стадиях. Кроме того, они обнаружили, что химические модификации тимина могут резко изменить скорость разрыва связей, при этом взаимодействия водородных связей вблизи тиминового кольца приводят к более быстрому разрыву связей.

Последствия и будущие применения

В конечном итоге исследования группы открывают путь к пониманию химических принципов, управляющих квантовой декогеренцией. «Мы рады использовать эту стратегию, чтобы понять квантовую декогеренцию в молекулах полной химической сложности и использовать ее для разработки молекул с сильными когезионными свойствами», — говорит Франко.

Ссылка: «Картирование путей электронного разрыва связей в молекулах», Игнасио Джастин, Чанг-Ву Ким, Дэвид В. Маккамант и Игнасио Франко, 28 ноября 2023 г., Труды Национальной академии наук.
дои: 10.1073/pnas.2309987120