Simulatorul cuantic ajută la descifrarea unui mare mister științific

Oamenii de știință de la Universitatea Duke (SUA) au valorificat simulatorul cuantic pentru a dezvălui un fenomen uluitor legat de moleculele care absorb lumina.

Cercetătorii și-au publicat lucrarea în Nature Chemistry.

• Ce este ura și de ce apare?
• De ce ne gândim obsesiv la aceleași lucruri noaptea

Acest progres aruncă lumină asupra lumii enigmatice a interacțiunilor cuantice, îmbogățindu-ne înțelegerea proceselor chimice esențiale precum fotosinteza, vederea și fotocataliza.

În centrul descoperirii lor se află conceptul de „intersecție conică”, un termen care ar putea suna complex, dar care are o semnificație profundă în chimie. Acest efect limitează căile potențiale pe care le pot parcurge moleculele în timpul tranziției între diferite configurații.

„Teoria matematică spunea că există anumite aranjamente moleculare”

„De îndată ce chimiștii cuantici s-au lovit de aceste fenomene de intersecție conică, teoria matematică spunea că există anumite aranjamente moleculare care nu puteau fi atinse de la unul la altul”, a spus Kenneth Brown, de la Duke.

„Această constrângere, numită fază geometrică, nu este imposibil de măsurat, dar nimeni nu a reușit să o facă”, spune cercetătorul. Dar asta până acum.

La ce a fost folosit, mai exact, simulatorul cuantic?

Pentru a naviga pe acest teren cuantic complicat, cercetătorii au folosit simulatorul cuantic, un instrument inspirat din domeniul calculului cuantic. Această abordare inovatoare răspunde la o întrebare veche din chimie, fiind o cercetare fundamentală cu aplicații de la procesele naturale de fotosinteză la misterele vederii și ale fotocatalizei.

Studiul exemplifica modul în care progresele făcute în calculul cuantic sunt acum valorificate pentru a dezvălui secretele științei fundamentale.

Intersecția conică poate părea complicată, dar explicația este mai simplă. Intersecția conică este precum două vârfuri ale unui munte care se ating, explică Interesting Engineering.

Jumătatea inferioară simbolizează stările energetice și locațiile unei molecule neexcitate. Jumătatea superioară reprezintă aceeași moleculă cu electroni excitați datorită absorbției de energie de la particulele de lumină care intră.

Atomii moleculei se rearanjează apoi pentru a reveni la o stare de energie inferioară, fie făcând tranziția cu succes, fie eliberând excesul de energie. Aici intră în joc domeniul cuantic. Molecula, electronii și atomii prezintă efecte cuantice, ocupând mai multe stări simultan.

Acest fenomen poate fi asemănat cu o pătură așezată peste diferite părți ale unui peisaj montan. Cu toate acestea, transformările specifice devin interzise din cauza unei particularități matematice cunoscute sub numele de fază geometrică; pătura metaforică nu poate învălui pe deplin întregul munte.

„Acesta este un efect pentru care cu greu poți avea intuiție, deoarece faza geometrică este ciudată chiar și din punctul de vedere al mecanicii cuantice”, a explicat Jacob Whitlow, doctorand la laboratorul lui Brown. În mod remarcabil, cercetătorii au obținut aceste informații folosind ioni capturați, un mediu controlat care a simplificat configurația experimentală.

Ionii capturați

Ionii, cu dinamica lor cuantică care are loc într-un ritm mai lent, au permis măsurători directe ale fazei geometrice, un fenomen care apare ca un grafic în formă de semilună. „Frumusețea ionilor capturați este că ei scapă de mediul complicat și fac sistemul suficient de curat pentru a face aceste măsurători”, a subliniat Brown.

În mod interesant, un studiu independent de la Universitatea din Sydney, Australia, a confirmat descoperirile celor de la Duke, oferind observații consistente folosind simulatorul cuantic cu capcană de ioni. În timp ce detaliile tehnice au variat, concluziile generale au fost similare, evidențiind puterea simulatoarelor cuantice.

Pe măsură ce granițele înțelegerii cuantice continuă să se extindă, această cercetare deschide calea pentru o înțelegere mai profundă a complexității care guvernează procesele chimice fundamentale. Simulatoarele cuantice deschid calea către descifrarea celor mai enigmatice fenomene ale naturii.

Vă recomandăm să citiți și:

Viteza găurilor negre după fuziune a fost estimată pentru prima dată

Oamenii de știință ar fi la un pas să descopere a cincea forță a naturii

O nouă reușită pentru fuziunea nucleară: Un laborator a realizat al doilea experiment cu un câștig de energie

O nouă analiză ne aduce mai aproape de detectarea materiei întunecate