Yeni strateji, kuantum eşevresizliğinin 'tam kimyasal karmaşıklığını' ortaya koyuyor

Sonuçlar, özelleştirilmiş kuantum tutarlılık özelliklerine sahip moleküller tasarlamak için kullanılabilir ve yeni ortaya çıkan kuantum teknolojilerinin kimyasal temelini oluşturur.

Kuantum mekaniğinde parçacıklar aynı anda birden fazla durumda bulunabilir ve bu da günlük deneylerin mantığına meydan okur. Kuantum süperpozisyonu olarak bilinen bu özellik, bilgi işlem, iletişim ve algılamayı dönüştürmeyi vaat eden yeni ortaya çıkan kuantum teknolojilerinin temelini oluşturuyor. Ancak kuantum süperpozisyonları büyük bir zorlukla karşı karşıyadır: kuantum tutarsızlığı. Bu işlem sırasında, kuantum durumlarının kesin süperpozisyonu, çevredeki ortamla etkileşime girdiğinde çöker.

Kuantum eşevresizliğinin zorluğu

Pratik kuantum uygulamalarına yönelik karmaşık moleküler yapılar oluşturmak amacıyla kimyanın gücünü ortaya çıkarmak için bilim adamlarının, belirli kuantum tutarlılık özelliklerine sahip moleküller tasarlayabilmeleri için kuantum uyumsuzluğunu anlamaları ve kontrol etmeleri gerekir. Bunu yapmak, kuantum bağını değiştirmek veya gevşetmek için molekülün kimyasal yapısının rasyonel olarak nasıl değiştirileceğini bilmeyi gerektirir. Bu amaçla bilim adamlarının, ortamın ne kadar hızlı hareket ettiğini ve kuantum sistemiyle ne kadar güçlü etkileşime girdiğini özetleyen bir nicelik olan “spektral yoğunluğu” bilmeleri gerekiyor.

Spektral yoğunluk ölçümünde çığır açan buluş

Şimdiye kadar, bu spektral yoğunluğun moleküllerin karmaşıklığını doğru bir şekilde yansıtacak şekilde ölçülmesi teorik ve deneysel olarak zordu. Ancak bilim adamlarından oluşan bir ekip, kimyasal ortamların tüm karmaşıklığını yakalayan bir yöntem olan basit rezonans Raman deneylerini kullanarak çözücülerdeki moleküllerin spektral yoğunluğunu çıkarmanın bir yolunu geliştirdi. Rochester Üniversitesi'nde kimya ve fizik doçenti olan Ignacio Franco liderliğindeki ekip, bulgularını bir dergide yayınladı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.

Moleküler yapının kuantum eşevresizliğine bağlanması

Çıkarılan spektral yoğunluğu kullanarak, yalnızca bağ ayrılmasının ne kadar hızlı gerçekleştiğini anlamak değil, aynı zamanda kimyasal ortamın hangi kısmının bundan çoğunlukla sorumlu olduğunu belirlemek de mümkündür. Sonuç olarak, bilim insanları artık moleküler yapıyı kuantum uyumsuzluğa bağlamak için uyumsuzluk yollarını haritalandırabiliyor.

“Kimya, moleküler yapının maddenin kimyasal ve fiziksel özelliklerini belirlediği fikrinden doğar. Bu prensip, tıp, tarım ve enerji uygulamaları için moleküllerin modern tasarımına rehberlik eder. Bu stratejiyi kullanarak, sonunda ortaya çıkan kimyasal tasarım prensiplerini geliştirmeye başlayabiliriz. kuantum teknolojileri.

Rezonans Raman deneyleri: önemli bir araç

Bu atılım, ekibin Raman rezonans deneylerinin tam kimyasal karmaşıklıkla bağların açılmasını incelemek için gereken tüm bilgileri sağladığını fark etmesiyle gerçekleşti. Bu tür deneyler rutin olarak fotofizik ve fotokimyayı incelemek için kullanılır, ancak bunların kuantum eşevresizliğindeki faydaları takdir edilmemiştir. Rochester Üniversitesi Kimya Bölümü'nde doçent ve Raman spektroskopisi uzmanı olan David McCamant ve şu anda Kore'deki Chonnam Ulusal Üniversitesi'nde öğretim üyesi ve Raman spektroskopisi uzmanı Chang-Woo Kim ile yapılan görüşmelerden önemli fikirler ortaya çıktı. Rochester'da doktora sonrası çalışması sırasında kuantum eşevresizliği.

Örnek olay: Timin bağlarının ayrılması

Ekip, ilk kez, yapıdaki temel unsurlardan biri olan timindeki elektron konfigürasyonlarının nasıl olduğunu göstermek için kendi yöntemini kullandı. DNAUltraviyole radyasyonu emdikten sonra yalnızca 30 femtosaniyede (bir femtosaniye saniyenin milyarda birinin milyonda biridir) parçalanır. Moleküldeki bazı titreşimlerin bağ ayırma işleminin ilk adımlarına hakim olduğunu, solventin ise sonraki aşamalara hakim olduğunu buldular. Buna ek olarak, timin üzerinde yapılan kimyasal modifikasyonların bağ ayrılma oranını önemli ölçüde değiştirebildiğini, timin halkası yakınındaki hidrojen bağlanma etkileşimlerinin daha hızlı bağ ayrılmasına yol açtığını keşfettiler.

Etkiler ve gelecekteki uygulamalar

Sonuçta ekibin araştırması, kuantum eşevresizliğini yöneten kimyasal ilkeleri anlamanın yolunu açıyor. Franco, “Bu stratejiyi, tam kimyasal karmaşıklığa sahip moleküllerdeki kuantum eşevresizliğini anlamak ve bunu güçlü yapışma özelliklerine sahip moleküller geliştirmek için kullanmaktan heyecan duyuyoruz” diyor.

Referans: “Moleküllerde Elektronik Bağ Çözme Yollarının Haritalanması”, Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant ve Ignacio Franco, 28 Kasım 2023, Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
doi: 10.1073/pnas.2309987120