Τα ευρήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό μορίων με προσαρμοσμένες ιδιότητες κβαντικής συνέπειας, τοποθετώντας τα χημικά θεμέλια για τις αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες.
Στην κβαντική μηχανική, τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις, παραβιάζοντας τη λογική των καθημερινών εμπειριών. Αυτή η ιδιότητα, γνωστή ως κβαντική υπερθέση, αποτελεί τη βάση για τις αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες που υπόσχονται να μετασχηματίσουν την υπολογιστική, την επικοινωνία και την αισθητική. Ωστόσο, οι κβαντικές υπερθέσεις αντιμετωπίζουν μια σημαντική πρόκληση: την κβαντική αποδιέγερση. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η ευαίσθητη υπερθέση κβαντικών καταστάσεων διαλύεται όταν αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του.
Η Πρόκληση της Κβαντικής Αποδιέγερσης
Για να ξεκλειδώσουν τη δύναμη της χημείας για την κατασκευή πολύπλοκων μοριακών αρχιτεκτονικών για πρακτικές κβαντικές εφαρμογές, οι επιστήμονες πρέπει να κατανοήσουν και να ελέγχουν την κβαντική αποδιέγερση, ώστε να μπορούν να σχεδιάσουν μόρια με συγκεκριμένες κβαντικές ιδιότητες συνέπειας. Αυτό απαιτεί τη γνώση πώς να τροποποιήσουν με βάση λογικά τη χημική δομή ενός μορίου για να ρυθμίσουν ή να ανακουφίσουν την κβαντική αποδιέγερση. Για να το πετύχουν αυτό, οι επιστήμονες χρειάζεται να γνωρίζουν τη “φασματική πυκνότητα”, το ποσό που περιλαμβάνει πώς γρήγορα κινείται το περιβάλλον και πώς αλληλεπιδρά με το κβαντικό σύστημα.
Διάσπαση στη Μέτρηση της Φασματικής Πυκνότητας
Μέχρι στιγμής, η ποσοτικοποίηση αυτής της φασματικής πυκνότητας με έναν τρόπο που αντικατοπτρίζει ακριβώς τις λεπτομέρειες των μορίων έχει παραμείνει δυσμενής στη θεωρία και την πειραματική μέθοδο. Ωστόσο, ένα ομάδα επιστημόνων ανέπτυξε μια μέθοδο για την εξαγωγή της φασματικής πυκνότητας για μόρια σε διαλυτικό χρησιμοποιώντας απλές πειράματα ανάδοχου Raman – μια μέθοδος που αποτυπώνει την πλήρη πολυπλοκότητα των χημικών περιβαλλόντων. Η ομάδα, υπό την ηγεσία του Ignacio Franco, επικεφαλής καθηγητή χημείας και φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Rochester, δημοσίευσε τα ευρήματά της στο Περιοδικό της Εθνικής Ακαδημίας των Επιστημών των ΗΠΑ.
Η ανάλυση της φασματικής πυκνότητας δεν επιτρέπει μόνο την κατανόηση του πόσο γρήγορα συμβαίνει η αποδιέγερση, αλλά και τον προσδιορισμό του τμήματος του χημικού περιβάλλοντος που ευθύνεται κυρίως γι’ αυτήν. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες μπορούν τώρα να χαρτογραφήσουν τις διαδρομές αποδιέγερσης για να συνδέσουν τη μοριακή δομή με την κβαντική αποδιέγερση.
“Η χημεία οικοδομείται με βάση την ιδέα ότι η μοριακή δομή καθορίζει τις χημικές και φυσικές ιδιότητες της ύλης. Αυτή η αρχή καθοδηγεί τον σύγχρονο σχεδιασμό μορίων για την ιατρική, τη γεωργία και τις ενεργειακές εφαρμογές. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη στρατηγική, μπορούμε επιτέλους να αρχίσουμε να αναπτύσσουμε χημικές αρχές σχεδιασμού για τις αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες”, δηλώνει ο Ignacio Gustin, διδάκτορας χημείας στο Rochester και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Βασικό Εργαλείο: Πειράματα ανάδοχου Raman
Η διάσπαση ήρθε όταν η ομάδα αναγνώρισε ότι τα πειράματα ανάδοχου Raman παρέχουν όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για τη μελέτη της αποδιέγερσης με πλήρη χημική πολυπλοκότητα. Αυτά τα πειράματα χρησιμοποιούνται συνήθως για να ερευνήσουν τη φωτοφυσική και τη φωτοχημεία, αλλά η χρησιμότητά τους για την κβαντική αποδιέγερση δεν είχε αναγνωριστεί. Οι βασικές ανακαλύψεις προέκυψαν από συζητήσεις με τον David McCamant, επίκουρο καθηγητή στο τμήμα χημείας στο Rochester και ειδικό στη φασματοσκοπία Raman, και με τον Chang Woo Kim, που τώρα είναι στο εκπαιδευτικό προσωπικό του Εθνικού Πανεπιστημίου Chonnam στην Κορέα και ειδικό στην κβαντική αποδιέγερση, ενώ ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Rochester.
Περίπτωση Μελέτης: Αποδιέγερση της Θυμίνης
Η ομάδα χρησιμοποίησε τη μέθοδό της για να δείξει, για πρώτη φορά, πώς οι ηλεκτρονικές υπερθέσεις στη θυμίνη, ένα από τα θεμέλια του DNA, χαλαρώνουν σε μόλις 30 φεμτοδευτερόλεπτα (ένα φεμτοδευτερόλεπτο είναι ένα εκατομμύριο το ένα δισεκατομμύριο του δευτερολέπτου) μετά την απορρόφηση τους ακτινοβολίας UV. Βρήκαν ότι μερικοί κραδασμοί στο μόριο επικρατούν στα αρχικά στάδια της διαδικασίας αποδιέγερσης, ενώ το διαλύτης επικρατεί στα αργότερα στάδια. Επιπλέον, ανακάλυψαν ότι χημικές τροποποιήσεις στη θυμίνη μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά το ρυθμό αποδιέγερσης, με τις αλληλεπιδράσεις υδρογόνου κοντά στον κύκλο της θυμίνης να οδηγούν σε πιο γρήγορη αποδιέγερση.
Μελλοντικές Επιπτώσεις και Εφαρμογές
Τελικά, η έρευνα της ομάδας ανοίγει το δρόμο προς την κατανόηση των χημικών αρχών που διέπουν την κβαντική αποδιέγερση. “Είμαστε ενθουσιασμένοι να χρησιμοποιήσουμε αυτήν τη στρατηγική για να καταλάβουμε επιτέλους την κβαντική αποδιέγερση σε μόρια με πλήρη χημική πολυπλοκότητα και να τη χρησιμοποιήσουμε για την ανάπτυξη μορίων με αξιόπιστες ιδιότητες συνοχής,” δηλώνει ο Franco.
