Ricerca di nuove sostanze e sviluppo di nuove tecniche nell'industria chimica:compiti che vengono spesso accelerati utilizzando simulazioni al computer di molecole o reazioni. Ma anche i supercomputer raggiungono rapidamente i loro limiti. Ora i ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching (MPQ) hanno sviluppato un'alternativa, approccio analogico. Un team internazionale attorno a Javier Argüello-Luengo, dottorato di ricerca candidato presso l'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO), Ignacio Cirac, Direttore e Capo del Dipartimento di Teoria dell'MPQ, Peter Zoller, Direttore dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica di Innsbruck (IQOQI), e altri hanno progettato il primo progetto per un simulatore quantistico che imita la chimica quantistica delle molecole. Come un modello architettonico può essere utilizzato per testare la statica di un edificio futuro, un simulatore di molecole può supportare lo studio delle proprietà delle molecole. I risultati sono ora pubblicati sulla rivista scientifica Natura .

Usando l'idrogeno, la più semplice di tutte le molecole, come esempio, il team globale di fisici di Garching, Barcellona, Madrid, Pechino e Innsbruck dimostrano teoricamente che il simulatore quantistico può riprodurre il comportamento del guscio di elettroni di una vera molecola. Nel loro lavoro, mostrano anche come i fisici sperimentali possono costruire un simile simulatore passo dopo passo. "I nostri risultati offrono un nuovo approccio allo studio dei fenomeni che compaiono nella chimica quantistica, " dice Javier Argüello-Luengo. Questo è molto interessante per i chimici perché i computer classici notoriamente lottano per simulare i composti chimici, poiché le molecole obbediscono alle leggi della fisica quantistica. Un elettrone nel suo guscio, Per esempio, può ruotare a sinistra ea destra contemporaneamente. In un composto di molte particelle, come una molecola, il numero di queste possibilità parallele si moltiplica. Poiché ogni elettrone interagisce con l'altro, la complessità diventa rapidamente impossibile da gestire.

Come via d'uscita, nel 1982, il fisico americano Richard Feynman ha suggerito quanto segue:dovremmo simulare i sistemi quantistici ricostruendoli come modelli semplificati in laboratorio da singoli atomi, che sono intrinsecamente quantistici, e quindi implicando un parallelismo delle possibilità di default. Oggi, i simulatori quantistici sono già in uso, per esempio per imitare i cristalli. Hanno un regolare, reticolo atomico tridimensionale che è imitato da diversi raggi laser che si intersecano, il "reticolo ottico". I punti di intersezione formano qualcosa come pozzi in un cartone di uova in cui sono riempiti gli atomi. L'interazione tra gli atomi può essere controllata amplificando o attenuando i raggi. In questo modo i ricercatori ottengono un modello variabile in cui possono studiare il comportamento atomico in modo molto preciso.

La grande sfida concettuale

Ciò che ora è nuovo è l'idea di utilizzare una struttura simile per simulare una molecola, la cui chimica è determinata dal suo guscio elettronico. Nel modello teorico proposto, atomi elettricamente neutri nel reticolo ottico assumono il ruolo di elettroni. Gli atomi possono muoversi liberamente da un pozzo all'altro nel "cartone delle uova" in modo simile agli elettroni nel guscio di una vera molecola. La grande sfida concettuale da risolvere per i fisici era che gli elettroni si respingono a causa della loro stessa carica elettrica. Questa interazione è chiamata "interazione columb" e ha effetto anche su lunghe distanze. Però, gli atomi nel "cartone delle uova" interagiscono solo con i loro vicini diretti." Quindi ciò che dovevamo anche fare era modellare la caratteristica diminuzione dell'interazione di Coulomb con la distanza tra gli elettroni simulati, "dice Argüello-Luengo.

Per affrontare quel problema, i ricercatori si sono ispirati al modo in cui l'interazione di Coloumb è descritta nella teoria quantistica. Secondo questo, un elettrone emette una particella di luce (fotone) che viene catturata da un altro elettrone. Come due persone sui pattini a rotelle, con uno che lancia una palla all'altro per prenderla, questo fa sì che le persone si allontanino l'una dall'altra. Analogamente, i due elettroni si respingono. Così, i ricercatori suggeriscono un meccanismo simile nella loro molecola modellata. Primo, ogni pozzetto nel "cartone delle uova" è riempito con atomi aggiuntivi. Ciascuno di questi atomi di fondo può essere eccitato energeticamente dall'irradiazione di una luce laser, fornendo il mezzo per trasmettere l'interazione. Un atomo di fondo eccitato passa l'energia al suo vicino, chi lo trasmette al suo vicino e così via. L'eccitazione si muove come un fotone attraverso il mezzo. "L'eccitazione avviene preferibilmente nelle posizioni in cui si trova uno degli elettroni modellati, " spiega Argüello-Luengo. L'"elettrone" e l'atomo di fondo eccitato si respingono. Se l'eccitazione che viaggia incontra il secondo "elettrone, si verifica anche la repulsione. In questo modo viene mediato l'effetto. La probabilità di un tale scambio diminuisce con la distanza tra i due "elettroni, " come fa con l'interazione di Coulomb.

interessante, il simulatore suggerito può anche scalare fino a molecole più grandi dell'idrogeno. Nel futuro, le persone saranno in grado di utilizzare le simulazioni da un modello come questo suggerito, confrontalo con un modello di computer convenzionale e regola di conseguenza. Il fisico osa guardare avanti:"Il nostro lavoro ora apre la possibilità di calcolare in modo efficiente le strutture elettroniche delle molecole utilizzando la simulazione quantistica analogica. Ciò attiverà una comprensione più ricca dei problemi (bio)chimici che sono difficili da esplorare con i computer di oggi. "