Ny strategi afslører den fulde kemiske kompleksitet af kvantedekohærens

I kvantemekanikken kan partikler eksistere i flere tilstande på samme tid, hvilket trodser logikken i hverdagsoplevelser. Denne egenskab, kendt som kvantesuperposition, er grundlaget for nye kvanteteknologier, der lover at transformere databehandling, kommunikation og sansning. Men kvantesuperpositioner står over for en betydelig udfordring:kvantedekohærens. Under denne proces nedbrydes den delikate superposition af kvantetilstande, når de interagerer med dets omgivende miljø.

For at låse op for kemiens magt til at bygge komplekse molekylære arkitekturer til praktiske kvanteanvendelser, skal forskerne forstå og kontrollere kvantedekohærens, så de kan designe molekyler med specifikke kvantekohærensegenskaber. At gøre det kræver at vide, hvordan man rationelt modificerer et molekyles kemiske struktur for at modulere eller afbøde kvantedekohærens.

Til det formål skal forskerne kende "spektraltætheden", den mængde, der opsummerer, hvor hurtigt miljøet bevæger sig, og hvor stærkt det interagerer med kvantesystemet.

Indtil nu har kvantificering af denne spektrale tæthed på en måde, der nøjagtigt afspejler molekylernes forviklinger, været uhåndgribelig for teori og eksperimenter. Men et team af videnskabsmænd har udviklet en metode til at udtrække spektraltætheden for molekyler i opløsningsmiddel ved hjælp af simple resonans Raman-eksperimenter – en metode, der fanger den fulde kompleksitet af kemiske miljøer.

Ledet af Ignacio Franco, en lektor i kemi og fysik ved University of Rochester, offentliggjorde holdet deres resultater i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ved at bruge den ekstraherede spektraltæthed er det muligt ikke kun at forstå, hvor hurtigt dekohærensen sker, men også at bestemme, hvilken del af det kemiske miljø, der er mest ansvarlig for det. Som et resultat kan videnskabsmænd nu kortlægge dekohærensveje for at forbinde molekylær struktur med kvantedekohærens.

"Kemi bygger op fra ideen om, at molekylær struktur bestemmer stoffets kemiske og fysiske egenskaber. Dette princip styrer det moderne design af molekyler til medicin, landbrug og energianvendelser. Ved hjælp af denne strategi kan vi endelig begynde at udvikle kemiske designprincipper for nye kvanteteknologier," siger Ignacio Gustin, en kandidatstuderende i kemi ved Rochester og den første forfatter til undersøgelsen.

Gennembruddet kom, da holdet erkendte, at resonans Raman-eksperimenter gav al den information, der var nødvendig for at studere dekohærens med fuld kemisk kompleksitet. Sådanne eksperimenter bruges rutinemæssigt til at undersøge fotofysik og fotokemi, men deres nytte til kvantedekohærens var ikke blevet værdsat.

De vigtigste indsigter kom fra diskussioner med David McCamant, lektor i kemiafdelingen i Rochester og ekspert i Raman-spektroskopi, og med Chang Woo Kim, nu på fakultetet ved Chonnam National University i Korea og ekspert i kvantedekohærens, mens han var postdoc-forsker ved Rochester.

Holdet brugte deres metode til for første gang at vise, hvordan elektroniske superpositioner i thymin, en af ​​byggestenene i DNA, optrævler på kun 30 femtosekunder (et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund) efter dets absorption af UV lys.

De fandt ud af, at nogle få vibrationer i molekylet dominerer de indledende trin i dekohærensprocessen, mens opløsningsmiddel dominerer de senere trin. Derudover opdagede de, at kemiske modifikationer af thymin betydeligt kan ændre dekohærenshastigheden, hvor hydrogenbindingsinteraktioner nær thyminringen fører til hurtigere dekohærens.

I sidste ende åbner holdets forskning vejen mod at forstå de kemiske principper, der styrer kvantedekohærens. "Vi er glade for at bruge denne strategi til endelig at forstå kvantedekohærens i molekyler med fuld kemisk kompleksitet og bruge den til at udvikle molekyler med robuste kohærensegenskaber," siger Franco.

Flere oplysninger: Ignacio Gustin et al., Kortlægning af elektroniske dekohærensveje i molekyler, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2309987120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Rochester