ricercatori dell'EPFL, lavorando al confine tra fisica classica e quantistica, hanno sviluppato un metodo per individuare rapidamente molecole con proprietà elettroniche particolarmente interessanti.

La tecnologia laser sta dando agli scienziati uno sguardo sempre più ravvicinato alle strutture molecolari, e questo a volte porta a sorprese molto interessanti. Presso il Laboratorio di Chimica Fisica Teorica dell'EPFL (LCPT), un gruppo di ricerca che studiava la dinamica delle molecole poliatomiche, molecole costituite da diversi atomi, si è imbattuto in una di queste sorprese. Hanno scoperto che gli elettroni in queste molecole si muovono in modo molto diverso da quello che ci si aspetterebbe negli atomi isolati.

Negli atomi isolati, le oscillazioni della densità elettronica sono regolari, ma nella maggior parte delle molecole poliatomiche, le oscillazioni si smorzano rapidamente. Questo processo è noto come decoerenza. Però, in alcune molecole le oscillazioni durano più a lungo prima che si manifesti la decoerenza. I ricercatori dell'EPFL hanno sviluppato un metodo che cattura il meccanismo fisico alla base della decoerenza, che di conseguenza consente loro di identificare molecole con coerenze di lunga durata. Il loro metodo potrebbe rivelarsi interessante nello sviluppo di una nuova tecnologia basata sugli elettroni o nello studio degli effetti quantistici nelle biomolecole. I risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di revisione fisica .

"Il movimento degli elettroni avviene estremamente rapidamente, su una scala di attosecondi, quindi è molto difficile da osservare, " dice Nikolay Golubev, un post-doc presso LCPT e l'autore principale dello studio. Per di più, il movimento degli elettroni è fortemente accoppiato ad altri processi in una molecola. Questo è il motivo per cui il team di ricerca ha incorporato ulteriori informazioni nel loro studio:la dinamica più lenta dei nuclei atomici e la sua influenza su quella degli elettroni. Si è scoperto che nella maggior parte delle strutture molecolari il lento riarrangiamento nucleare smorza le oscillazioni inizialmente coerenti degli elettroni e le fa scomparire in pochi femtosecondi.

Un approccio semiclassico

Per determinare se questo fenomeno si sta effettivamente verificando, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica teorica per una descrizione accurata ed efficiente della dinamica di elettroni e nuclei dopo che le molecole sono state ionizzate da impulsi laser ultracorti. Hanno usato quello che è considerato un approccio semiclassico in quanto combina caratteristiche quantistiche, come l'esistenza simultanea di più stati, e caratteristiche classiche, vale a dire le traiettorie classiche che guidano le funzioni d'onda molecolari. Questo metodo consente agli scienziati di rilevare il processo di decoerenza molto più velocemente, rendendo più facile analizzare molte molecole e quindi individuare quelle che potrebbero avere coerenze di lunga durata.

"Risolvere esattamente l'equazione di Schrödinger per l'evoluzione quantistica della funzione d'onda di una molecola poliatomica è impossibile, anche con i più grandi supercomputer del mondo, "dice Jiri Vanicek, capo della LCPT. "L'approccio semiclassico consente di sostituire il problema quantistico non trattabile con un problema ancora difficile, ma risolvibile, problema, e fornisce una semplice interpretazione in cui la molecola può essere vista come una palla che rotola su un paesaggio ad alta dimensione".

Per illustrare il loro metodo, i ricercatori lo hanno applicato a due composti:acido propilico, le cui molecole presentano una coerenza di lunga durata, e propiolamide (un derivato dell'acido propilico), in cui la decoerenza è veloce. Il team spera di poter presto testare il proprio metodo anche su centinaia di altre mescole.

La loro scoperta segna un passo importante verso una più profonda comprensione delle strutture e delle dinamiche molecolari, e rappresenta uno strumento utile per osservare la coerenza elettronica di lunga durata nelle molecole. Supportato da una migliore comprensione del processo di decoerenza, gli scienziati potrebbero un giorno essere in grado di osservare esattamente come le molecole agiscono nei tessuti biologici, Per esempio, o creare nuovi tipi di circuiti elettronici.