Nella meccanica quantistica, le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente, sfidando la logica delle esperienze quotidiane. Questa proprietà, nota come sovrapposizione quantistica, è la base per le tecnologie quantistiche emergenti che promettono di trasformare l’informatica, la comunicazione e il rilevamento. Ma le sovrapposizioni quantistiche devono affrontare una sfida significativa:la decoerenza quantistica. Durante questo processo, la delicata sovrapposizione degli stati quantistici si rompe quando interagisce con l'ambiente circostante.
Per sfruttare il potere della chimica di costruire architetture molecolari complesse per applicazioni quantistiche pratiche, gli scienziati devono comprendere e controllare la decoerenza quantistica in modo da poter progettare molecole con specifiche proprietà di coerenza quantistica. Per farlo è necessario sapere come modificare razionalmente la struttura chimica di una molecola per modulare o mitigare la decoerenza quantistica.
A tal fine, gli scienziati devono conoscere la "densità spettrale", la quantità che riassume la velocità con cui si muove l'ambiente e la forza con cui interagisce con il sistema quantistico.
Fino ad ora, quantificare questa densità spettrale in un modo che riflettesse accuratamente la complessità delle molecole era rimasto sfuggente alla teoria e alla sperimentazione. Ma un team di scienziati ha sviluppato un metodo per estrarre la densità spettrale delle molecole nel solvente utilizzando semplici esperimenti Raman di risonanza, un metodo che cattura l'intera complessità degli ambienti chimici.
Guidato da Ignacio Franco, professore associato di chimica e fisica presso l'Università di Rochester, il team ha pubblicato i risultati negli Proceedings of the National Academy of Sciences .
Utilizzando la densità spettrale estratta, è possibile non solo capire quanto velocemente avviene la decoerenza, ma anche determinare quale parte dell'ambiente chimico ne è maggiormente responsabile. Di conseguenza, gli scienziati possono ora mappare i percorsi di decoerenza per collegare la struttura molecolare con la decoerenza quantistica.
"La chimica si basa sull'idea che la struttura molecolare determina le proprietà chimiche e fisiche della materia. Questo principio guida la progettazione moderna di molecole per applicazioni mediche, agricole e energetiche. Utilizzando questa strategia, possiamo finalmente iniziare a sviluppare principi di progettazione chimica per tecnologie quantistiche emergenti", afferma Ignacio Gustin, uno studente laureato in chimica a Rochester e primo autore dello studio.
La svolta è arrivata quando il team ha riconosciuto che gli esperimenti di risonanza Raman fornivano tutte le informazioni necessarie per studiare la decoerenza con la massima complessità chimica. Tali esperimenti vengono abitualmente utilizzati per studiare la fotofisica e la fotochimica, ma la loro utilità per la decoerenza quantistica non è stata apprezzata.
Le intuizioni chiave sono emerse dalle discussioni con David McCamant, professore associato presso il dipartimento di chimica di Rochester ed esperto di spettroscopia Raman, e con Chang Woo Kim, ora docente alla Chonnam National University in Corea ed esperto di decoerenza quantistica, mentre era un ricercatore post-dottorato a Rochester.
Il team ha utilizzato il proprio metodo per mostrare, per la prima volta, come le sovrapposizioni elettroniche nella timina, uno degli elementi costitutivi del DNA, si dipanano in soli 30 femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di un miliardesimo di secondo) in seguito al suo assorbimento dei raggi UV. luce.
Hanno scoperto che alcune vibrazioni nella molecola dominano le fasi iniziali del processo di decoerenza, mentre il solvente domina le fasi successive. Inoltre, hanno scoperto che le modifiche chimiche alla timina possono alterare in modo significativo il tasso di decoerenza, con le interazioni dei legami idrogeno vicino all'anello della timina che portano a una decoerenza più rapida.
In definitiva, la ricerca del team apre la strada alla comprensione dei principi chimici che governano la decoerenza quantistica. "Siamo entusiasti di utilizzare questa strategia per comprendere finalmente la decoerenza quantistica in molecole dotate di piena complessità chimica e di usarla per sviluppare molecole con robuste proprietà di coerenza", afferma Franco.
Ulteriori informazioni: Ignacio Gustin et al, Mappatura dei percorsi di decoerenza elettronica nelle molecole, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2309987120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Rochester
