Ny tilgang til simulering af kvantekemi - modellering af den molekylære arkitektur

Søgning efter nye stoffer og udvikling af nye teknikker i den kemiske industri:opgaver, der ofte fremskyndes ved hjælp af computersimuleringer af molekyler eller reaktioner. Men selv supercomputere når hurtigt deres grænser. Nu har forskere ved Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching (MPQ) udviklet et alternativ, analog tilgang. Et internationalt team omkring Javier Argüello-Luengo, Ph.d. kandidat ved Institute of Photonic Sciences (ICFO), Ignacio Cirac, Direktør og chef for teoriafdelingen ved MPQ, Peter Zoller, Direktør ved Institute of Quantum Optics and Quantum Information i Innsbruck (IQOQI), og andre har designet den første plan for en kvantesimulator, der efterligner molekylernes kvantekemi. Ligesom en arkitektonisk model kan bruges til at teste statikken i en fremtidig bygning, en molekylsimulator kan understøtte undersøgelse af molekylers egenskaber. Resultaterne er nu offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Ved hjælp af brint, den enkleste af alle molekyler, som et eksempel, det globale team af fysikere fra Garching, Barcelona, Madrid, Beijing og Innsbruck demonstrerer teoretisk, at kvantesimulatoren kan gengive adfærden for et ægte molekyls elektronskal. I deres arbejde, de viser også, hvordan eksperimentelle fysikere trin for trin kan bygge sådan en simulator. "Vores resultater tilbyder en ny tilgang til undersøgelse af fænomener, der optræder i kvantekemi, "siger Javier Argüello-Luengo. Dette er yderst interessant for kemikere, fordi klassiske computere notorisk kæmper for at simulere kemiske forbindelser, som molekyler overholder kvantefysikkens love. En elektron i sin skal, for eksempel, kan rotere til venstre og højre samtidigt. I en forbindelse med mange partikler, såsom et molekyle, antallet af disse parallelle muligheder multiplicerer. Fordi hver elektron interagerer med hinanden, kompleksiteten bliver hurtigt umulig at håndtere.

Som en vej ud, i 1982, den amerikanske fysiker Richard Feynman foreslog følgende:Vi skulle simulere kvantesystemer ved at rekonstruere dem som forenklede modeller i laboratoriet ud fra individuelle atomer, som i sagens natur er kvante, og derfor indebærer en parallelisme af mulighederne som standard. I dag, kvantesimulatorer er allerede i brug, for eksempel at efterligne krystaller. De har en regelmæssig, tredimensionelt atomgitter, der efterlignes af flere krydsende laserstråler, det "optiske gitter". Skæringspunkterne danner noget som brønde i en æggekarton, som atomerne fyldes i. Interaktionen mellem atomerne kan styres ved at forstærke eller dæmpe strålerne. På denne måde får forskere en variabel model, hvor de kan studere atomadfærd meget præcist.

Den store konceptuelle udfordring

Det, der nu er nyt, er tanken om at bruge en lignende struktur til at simulere et molekyle, hvis kemi bestemmes af dets elektronskal. I den foreslåede teoretiske model, elektrisk neutrale atomer i det optiske gitter påtager sig elektronernes rolle. Atomer kan bevæge sig frit fra brønd til brønd i "æggekartonen" svarende til elektronerne i skallen af ​​et ægte molekyle. Den store konceptuelle udfordring for fysikerne at løse var, at elektroner frastøder hinanden på grund af deres samme elektriske ladning. Dette samspil kaldes "Coloumb -interaktionen", og det får virkning selv over lange afstande. Imidlertid, atomerne i "æggekartonen" interagerer kun med deres direkte naboer. "Så hvad vi desuden skulle gøre var at modellere det karakteristiske fald i Coulomb -interaktionen med afstanden mellem de simulerede elektroner, "siger Argüello-Luengo.

For at løse dette problem, forskerne blev inspireret af, hvordan Coloumb -interaktionen beskrives i kvanteteorien. Ifølge dette, en elektron udsender en lys partikel (foton), der fanges af en anden elektron. Som to mennesker på rulleskøjter, med den ene kaster en bold til den anden for at fange den, dette får folk til at drive væk fra hinanden. Analogt, de to elektroner afviser hinanden. Så, forskerne foreslår en lignende mekanisme i deres modellerede molekyle. Først, hver brønd i "æggekartonen" er fyldt med yderligere atomer. Hvert af disse baggrundsatomer kan energisk spændes ved bestråling af et laserlys, tilvejebringelse af mediet til transmission af interaktionen. Et ophidset baggrundsatom sender energien videre til sin nabo, hvem giver det videre til sin nabo og så videre. Excitationen bevæger sig rundt som en foton gennem mediet. "Excitationen sker fortrinsvis i de positioner, hvor en af ​​de modellerede elektroner er placeret, "forklarer Argüello-Luengo." Elektronen "og det ophidsede baggrundsatom afviser hinanden. Hvis excitationen, der bevæger sig rundt, møder den anden" elektron, "frastødningen forekommer også. Sådan formidles effekten. Sandsynligheden for en sådan udveksling falder med afstanden mellem de to" elektroner, "som det gør med Coulomb -interaktionen.

Interessant nok, den foreslåede simulator kan også skalere op til større molekyler end brint. I fremtiden, folk vil kunne bruge simuleringerne fra en model som denne foreslog, sammenligne den med en konventionel computermodel og juster derefter. Fysikeren tør se fremad:"Vores arbejde åbner nu mulighed for effektivt at beregne de elektroniske strukturer af molekyler ved hjælp af analog kvantsimulering. Dette vil udløse en rigere forståelse af de (bio) kemiproblemer, der er svære at udforske med nutidens computere. "