Nieuwe strategie onthult 'volledige chemische complexiteit' van kwantumdecoherentie

De resultaten kunnen worden gebruikt om moleculen te ontwerpen met aangepaste kwantumcoherentie-eigenschappen, waarmee de chemische basis wordt gelegd voor opkomende kwantumtechnologieën.

In de kwantummechanica kunnen deeltjes tegelijkertijd in meerdere toestanden bestaan, wat de logica van alledaagse experimenten tart. Deze eigenschap, bekend als kwantumsuperpositie, vormt de basis voor opkomende kwantumtechnologieën die beloven computers, communicatie en detectie te transformeren. Maar kwantumsuperposities staan ​​voor een grote uitdaging: kwantumincoherentie. Tijdens dit proces stort de precieze superpositie van kwantumtoestanden ineen bij interactie met de omringende omgeving.

De uitdaging van kwantumdecoherentie

Om de kracht van de chemie te ontketenen om complexe moleculaire structuren te bouwen voor praktische kwantumtoepassingen, moeten wetenschappers de kwantumdecoherentie begrijpen en beheersen, zodat ze moleculen met specifieke kwantumcoherentie-eigenschappen kunnen ontwerpen. Om dit te doen, moet je weten hoe je de chemische structuur van het molecuul rationeel kunt wijzigen om de kwantumbinding te wijzigen of te ontspannen. Daartoe moeten wetenschappers de ‘spectrale dichtheid’ kennen, een grootheid die samenvat hoe snel de omgeving beweegt en hoe sterk deze interageert met het kwantumsysteem.

Een doorbraak in het meten van de spectrale dichtheid

Tot nu toe is het meten van deze spectrale dichtheid op een manier die de complexiteit van moleculen nauwkeurig weerspiegelt, theoretisch en experimenteel ongrijpbaar gebleven. Maar een team van wetenschappers heeft een manier ontwikkeld om de spectrale dichtheid van moleculen in oplosmiddelen te extraheren met behulp van eenvoudige Raman-resonantie-experimenten, een methode die de volledige complexiteit van chemische omgevingen vastlegt. Onder leiding van Ignacio Franco, universitair hoofddocent scheikunde en natuurkunde aan de Universiteit van Rochester, publiceerde het team hun bevindingen in een tijdschrift Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Moleculaire structuur koppelen aan kwantumdecoherentie

Met behulp van de geëxtraheerde spectrale dichtheid is het niet alleen mogelijk om te begrijpen hoe snel onthechting plaatsvindt, maar ook om te bepalen welk deel van de chemische omgeving hiervoor het meest verantwoordelijk is. Als gevolg hiervan kunnen wetenschappers nu decoherentieroutes in kaart brengen om de moleculaire structuur te koppelen aan kwantumdecoherentie.

“De scheikunde komt voort uit het idee dat de moleculaire structuur de chemische en fysische eigenschappen van materie bepaalt. Dit principe leidt het moderne ontwerp van moleculen voor toepassingen in de geneeskunde, de landbouw en de energiesector. Met behulp van deze strategie kunnen we eindelijk beginnen met het ontwikkelen van chemische ontwerpprincipes voor opkomende kwantumtechnologieën.

Resonantie Raman-experimenten: een belangrijk hulpmiddel

Deze doorbraak kwam toen het team zich realiseerde dat Raman-resonantie-experimenten alle informatie hadden opgeleverd die nodig was om onthechting met volledige chemische complexiteit te bestuderen. Dergelijke experimenten worden routinematig gebruikt om fotofysica en fotochemie te bestuderen, maar hun nut bij kwantumdecoherentie is niet op prijs gesteld. Belangrijke ideeën kwamen naar voren uit discussies met David McCamant, universitair hoofddocent bij de afdeling scheikunde van de Universiteit van Rochester en een expert in Raman-spectroscopie, en met Chang-Woo Kim, nu faculteitslid aan de Chonnam National University in Korea en een expert in kwantumdecoherentie, terwijl hij een postdoctoraal onderzoek deed in Rochester.

Casestudy: onthechting van Thymine

Het team gebruikte hun methode om voor het eerst te laten zien hoe de elektronenconfiguraties in thymine, een van de basiselementen bij het bouwen… DNAHet valt uiteen in slechts 30 femtoseconden (één femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde) na het absorberen van ultraviolette straling. Ze ontdekten dat sommige trillingen in het molecuul de eerste stappen in het onthechtingsproces domineren, terwijl het oplosmiddel de latere fasen domineert. Bovendien ontdekten ze dat chemische modificaties aan thymine de snelheid van onthechting dramatisch kunnen veranderen, waarbij interacties met waterstofbruggen nabij de thyminering leiden tot snellere onthechting.

Implicaties en toekomstige toepassingen

Uiteindelijk opent het onderzoek van het team de weg naar een beter begrip van de chemische principes die ten grondslag liggen aan kwantumdecoherentie. “We zijn enthousiast om deze strategie te gebruiken om de kwantumdecoherentie in moleculen met een volledige chemische complexiteit te begrijpen en deze te gebruiken om moleculen met sterke cohesieve eigenschappen te ontwikkelen”, zegt Franco.

Referentie: “Mapping Electronic Debonding Pathways in Molecules” door Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant en Ignacio Franco, 28 november 2023, Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.
doi: 10.1073/pnas.2309987120