Una nuova strategia rivela la “completa complessità chimica” della decoerenza quantistica

I risultati possono essere utilizzati per progettare molecole con proprietà di coerenza quantistica personalizzate, ponendo le basi chimiche per le tecnologie quantistiche emergenti.

Nella meccanica quantistica, le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente, sfidando la logica degli esperimenti quotidiani. Questa proprietà, nota come sovrapposizione quantistica, è la base per le tecnologie quantistiche emergenti che promettono di trasformare l’informatica, le comunicazioni e il rilevamento. Ma le sovrapposizioni quantistiche devono affrontare una sfida importante: l’incoerenza quantistica. Durante questo processo, la precisa sovrapposizione degli stati quantistici collassa quando interagisce con l’ambiente circostante.

La sfida della decoerenza quantistica

Per liberare il potere della chimica di costruire strutture molecolari complesse per applicazioni quantistiche pratiche, gli scienziati devono comprendere e controllare la decoerenza quantistica in modo da poter progettare molecole con specifiche proprietà di coerenza quantistica. Per fare ciò è necessario sapere come modificare razionalmente la struttura chimica della molecola per modificare o rilassare il legame quantistico. A tal fine, gli scienziati devono conoscere la “densità spettrale”, una quantità che riassume la velocità con cui si muove l’ambiente e la forza con cui interagisce con il sistema quantistico.

Una svolta nella misurazione della densità spettrale

Fino ad ora, misurare questa densità spettrale in modo da riflettere accuratamente la complessità delle molecole è rimasto teoricamente e sperimentalmente sfuggente. Ma un team di scienziati ha sviluppato un modo per estrarre la densità spettrale delle molecole nei solventi utilizzando semplici esperimenti Raman di risonanza, un metodo che cattura l’intera complessità degli ambienti chimici. Guidato da Ignacio Franco, professore associato di chimica e fisica presso l'Università di Rochester, il team ha pubblicato i risultati su una rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.

Collegamento della struttura molecolare alla decoerenza quantistica

Utilizzando la densità spettrale estratta, è possibile non solo capire quanto velocemente avviene il distacco, ma anche determinare quale parte dell'ambiente chimico ne è maggiormente responsabile. Di conseguenza, gli scienziati possono ora mappare i percorsi di decoerenza per collegare la struttura molecolare con la decoerenza quantistica.

“La chimica nasce dall'idea che la struttura molecolare determina le proprietà chimiche e fisiche della materia. Questo principio guida la progettazione moderna di molecole per applicazioni mediche, agricole e energetiche. Usando questa strategia, possiamo finalmente iniziare a sviluppare principi di progettazione chimica per le applicazioni emergenti tecnologie quantistiche.

Esperimenti Raman di risonanza: uno strumento chiave

Questa svolta è arrivata quando il team si è reso conto che gli esperimenti di risonanza Raman avevano fornito tutte le informazioni necessarie per studiare il distacco con tutta la complessità chimica. Tali esperimenti vengono abitualmente utilizzati per studiare la fotofisica e la fotochimica, ma la loro utilità nella decoerenza quantistica non è stata apprezzata. Le idee chiave sono emerse dalle discussioni con David McCamant, professore associato presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Rochester ed esperto di spettroscopia Raman, e con Chang-Woo Kim, ora membro della facoltà presso l'Università Nazionale di Chonnam in Corea ed esperto di spettroscopia Raman. decoerenza quantistica, mentre era post-dottorato a Rochester.

Caso di studio: debonding della timina

Il team ha utilizzato il proprio metodo per mostrare, per la prima volta, come le configurazioni elettroniche nella timina, uno degli elementi base nella costruzione… DNASi disintegra in soli 30 femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo) dopo aver assorbito la radiazione ultravioletta. Hanno scoperto che alcune vibrazioni nella molecola dominano le fasi iniziali del processo di distacco, mentre il solvente domina le fasi successive. Inoltre, hanno scoperto che le modifiche chimiche alla timina possono cambiare drasticamente la velocità di distacco, con le interazioni dei legami idrogeno vicino all'anello della timina che portano a un distacco più rapido.

Implicazioni e applicazioni future

In definitiva, la ricerca del team apre la strada alla comprensione dei principi chimici che governano la decoerenza quantistica. “Siamo entusiasti di utilizzare questa strategia per comprendere la decoerenza quantistica in molecole di completa complessità chimica e di usarla per sviluppare molecole con forti proprietà coesive”, afferma Franco.

Riferimento: “Mappatura dei percorsi di debonding elettronico nelle molecole” di Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant e Ignacio Franco, 28 novembre 2023, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.
doi: 10.1073/pnas.2309987120