Et skridt mod en bedre forståelse af molekylær dynamik

EPFL forskere, arbejder på grænsen mellem klassisk og kvantefysik, har udviklet en metode til hurtigt at spotte molekyler med særligt interessante elektronegenskaber.

Laserteknologi giver forskerne et stadigt nærmere kig på molekylære strukturer, og det fører nogle gange til meget interessante overraskelser. På EPFL's Laboratory of Theoretical Physical Chemistry (LCPT), et forskerhold, der studerede dynamikken i polyatomiske molekyler - molekyler bestående af flere atomer - stødte på en sådan overraskelse. De fandt ud af, at elektroner i disse molekyler bevæger sig helt anderledes end hvad man ville forvente i isolerede atomer.

I isolerede atomer, oscillationerne af elektrondensiteten er regelmæssige, men i de fleste polyatomare molekyler, svingningerne bliver hurtigt dæmpet. Denne proces er kendt som dekohærens. Imidlertid, i nogle molekyler varer svingningerne længere, før dekohærens sætter ind. EPFL-forskerne udviklede en metode, der fanger den fysiske mekanisme bag dekohærens, som følgelig gør dem i stand til at identificere molekyler med langvarig sammenhæng. Deres metode kan vise sig interessant i udviklingen af ​​ny elektronbaseret teknologi eller undersøgelse af kvanteeffekter i biomolekyler. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Elektronbevægelser foregår ekstremt hurtigt - på en attosekund skala - så det er meget svært at observere, " siger Nikolay Golubev, en post-doc ved LCPT og undersøgelsens hovedforfatter. Desuden, elektronbevægelse er stærkt koblet til andre processer i et molekyle. Det er derfor, forskerholdet inkorporerede yderligere information i deres undersøgelse:atomkernernes langsommere dynamik og dens indflydelse på elektronernes. Det blev fundet, at i de fleste molekylære strukturer dæmper den langsomme nukleare omlejring de oprindeligt sammenhængende elektronsvingninger og får dem til at forsvinde på få femtosekunder.

En semiklassisk tilgang

For at afgøre, om dette fænomen rent faktisk finder sted, forskerne udviklede en teoretisk teknik til en nøjagtig og effektiv beskrivelse af dynamikken i elektroner og kerner, efter at molekylerne er ioniseret af ultrakorte laserimpulser. De brugte, hvad der betragtes som en semiklassisk tilgang, idet den kombinerer kvantetræk, ligesom den samtidige eksistens af flere stater, og klassiske træk, nemlig klassiske baner, der styrer de molekylære bølgefunktioner. Denne metode gør det muligt for forskere at opdage dekohærensprocessen meget hurtigere, gør det nemmere at analysere mange molekyler og derfor spotte dem, der potentielt kan have langvarige sammenhænge.

"At løse Schrödinger-ligningen for kvanteudviklingen af ​​et polyatomisk molekyles bølgefunktion nøjagtigt er umuligt, selv med verdens største supercomputere, " siger Jiri Vanicek, leder af LCPT. "Den semiklassiske tilgang gør det muligt at erstatte det ubehandlede kvanteproblem med et stadig vanskeligt, men løseligt, problem, og giver en enkel fortolkning, hvor molekylet kan ses som en kugle, der ruller i et højdimensionelt landskab."

For at illustrere deres metode, forskerne anvendte det på to forbindelser:propiolsyre, hvis molekyler har langvarig sammenhæng, og propiolamid (et propiolsyrederivat), hvor dekohærensen er hurtig. Holdet håber også snart at kunne teste deres metode på hundredvis af andre forbindelser.

Deres opdagelse markerer et vigtigt skridt mod en dybere forståelse af molekylære strukturer og dynamik, og står til at være et nyttigt værktøj til at observere langvarig elektronisk sammenhæng i molekyler. Bakket op med en bedre forståelse af dekohærensprocessen, Forskere kunne en dag være i stand til at observere præcis, hvordan molekyler virker i biologisk væv, for eksempel, eller skabe nye former for elektroniske kredsløb.