EPFL -forskare, arbetar vid gränsen mellan klassisk och kvantfysik, har utvecklat en metod för att snabbt upptäcka molekyler med särskilt intressanta elektronegenskaper.

Laserteknik ger forskare en allt närmare titt på molekylära strukturer, och detta leder ibland till mycket intressanta överraskningar. Vid EPFL:s laboratorium för teoretisk fysisk kemi (LCPT), en forskargrupp som studerade dynamiken i polyatomiska molekyler - molekyler som består av flera atomer - stötte på en sådan överraskning. De fann att elektroner i dessa molekyler rör sig helt annorlunda än vad som kan förväntas i isolerade atomer.

I isolerade atomer, oscillationerna av elektrontäthet är regelbundna, men i de flesta polyatomiska molekyler, svängningarna blir snabbt dämpade. Denna process är känd som dekoherens. Dock, i vissa molekyler varar svängningarna längre innan dekoherensen sätter in. EPFL -forskarna utvecklade en metod som fångar den fysiska mekanismen bakom dekoherens, vilket gör att de kan identifiera molekyler med långvariga koherenser. Deras metod kan visa sig intressant i utvecklingen av ny elektronbaserad teknik eller studera kvanteffekter i biomolekyler. Resultaten publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

"Elektronrörelsen sker extremt snabbt - i en attosekundskala - så det är mycket svårt att observera, säger Nikolay Golubev, en post-doc vid LCPT och studiens huvudförfattare. Vidare, elektronrörelse är starkt kopplad till andra processer i en molekyl. Det är därför forskargruppen införlivade ytterligare information i sin studie:atomkärnornas långsammare dynamik och dess inflytande på elektronernas. Det visade sig att i de flesta molekylära strukturer dämpar den långsamma kärnkraftsarrangemanget de ursprungligen sammanhängande svängningarna av elektroner och får dem att försvinna på några femtosekunder.

Ett semiklassiskt tillvägagångssätt

För att avgöra om detta fenomen faktiskt äger rum, forskarna utvecklade en teoretisk teknik för en exakt och effektiv beskrivning av elektronernas och kärnornas dynamik efter att molekylerna joniserats av ultrakorte laserpulser. De använde det som anses vara ett semiklassiskt tillvägagångssätt genom att det kombinerar kvantfunktioner, som den samtidiga existensen av flera stater, och klassiska funktioner, nämligen klassiska banor som styr de molekylära vågfunktionerna. Denna metod gör det möjligt för forskare att upptäcka dekoherensprocessen mycket snabbare, gör det lättare att analysera många molekyler och därför upptäcka sådana som potentiellt kan ha långvariga sammanhang.

"Att lösa Schrödinger -ekvationen för kvantutvecklingen av en polyatomisk molekyls vågfunktion är omöjligt, även med världens största superdatorer, "säger Jiri Vanicek, chef för LCPT. "Den semiklassiska metoden gör det möjligt att ersätta det obehandlade kvantproblemet med ett fortfarande svårt, men lösbar, problem, och ger en enkel tolkning där molekylen kan ses som en boll som rullar på ett högdimensionellt landskap. "

För att illustrera deras metod, forskarna applicerade det på två föreningar:propiolinsyra, vars molekyler har långvarig sammanhang, och propiolamid (ett propiolsyraderivat), där dekoherensen är snabb. Teamet hoppas snart kunna testa sin metod på hundratals andra föreningar också.

Deras upptäckt markerar ett viktigt steg mot en djupare förståelse av molekylära strukturer och dynamik, och står för att vara ett användbart verktyg för att observera långlivad elektronisk koherens i molekyler. Bakom med en bättre förståelse av dekoherensprocessen, forskare skulle en dag kunna observera exakt hur molekyler fungerar i biologisk vävnad, till exempel, eller skapa nya sorters elektroniska kretsar.