EPFL-onderzoekers, werken op de grens tussen klassieke en kwantumfysica, hebben een methode ontwikkeld om moleculen met bijzonder interessante elektroneneigenschappen snel op te sporen.

Lasertechnologie geeft wetenschappers een steeds beter inzicht in moleculaire structuren, en dit leidt soms tot zeer interessante verrassingen. Bij EPFL's Laboratorium voor Theoretische Fysische Chemie (LCPT), een onderzoeksteam dat de dynamiek van polyatomaire moleculen bestudeert - moleculen die uit verschillende atomen bestaan ​​- stuitte op zo'n verrassing. Ze ontdekten dat elektronen in deze moleculen heel anders bewegen dan verwacht zou worden in geïsoleerde atomen.

In geïsoleerde atomen, de oscillaties van elektronendichtheid zijn regelmatig, maar in de meeste polyatomaire moleculen, de trillingen worden snel gedempt. Dit proces staat bekend als decoherentie. Echter, in sommige moleculen duren de oscillaties langer voordat decoherentie optreedt. De EPFL-onderzoekers ontwikkelden een methode die het fysieke mechanisme achter decoherentie vastlegt, waardoor ze moleculen met langdurige coherentie kunnen identificeren. Hun methode zou interessant kunnen zijn bij de ontwikkeling van nieuwe op elektronen gebaseerde technologie of bij het bestuderen van kwantumeffecten in biomoleculen. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Elektronenbeweging vindt extreem snel plaats - op een attoseconde schaal - dus het is erg moeilijk om waar te nemen, " zegt Nikolay Golubev, een post-doc bij LCPT en de hoofdauteur van de studie. Verder, elektronenbeweging is sterk gekoppeld aan andere processen in een molecuul. Daarom heeft het onderzoeksteam extra informatie in hun onderzoek opgenomen:de langzamere dynamiek van de atoomkernen en de invloed ervan op die van elektronen. Het bleek dat in de meeste moleculaire structuren de langzame nucleaire herschikking de aanvankelijk coherente oscillaties van elektronen dempt en ze binnen enkele femtoseconden doet verdwijnen.

Een semiklassieke benadering

Om te bepalen of dit fenomeen daadwerkelijk plaatsvindt, de onderzoekers ontwikkelden een theoretische techniek voor een nauwkeurige en efficiënte beschrijving van de dynamica van elektronen en kernen nadat de moleculen zijn geïoniseerd door ultrakorte laserpulsen. Ze gebruikten wat als een semi-klassieke benadering wordt beschouwd, omdat het kwantumfuncties combineert, zoals het gelijktijdig bestaan ​​van verschillende staten, en klassieke kenmerken, namelijk klassieke trajecten die de moleculaire golffuncties sturen. Met deze methode kunnen wetenschappers het decoherentieproces veel sneller detecteren, waardoor het gemakkelijker wordt om veel moleculen te analyseren en daardoor moleculen op te sporen die mogelijk langdurige coherentie hebben.

"Het is onmogelijk om de Schrödinger-vergelijking voor de kwantumevolutie van de golffunctie van een polyatomisch molecuul op te lossen, zelfs met 's werelds grootste supercomputers, " zegt Jiri Vanicek, hoofd van de LCPT. "De semiklassieke benadering maakt het mogelijk om het onbehandelbare kwantumprobleem te vervangen door een nog steeds moeilijk, maar oplosbaar, probleem, en biedt een eenvoudige interpretatie waarin het molecuul kan worden gezien als een bal die op een hoogdimensionaal landschap rolt."

Om hun werkwijze te illustreren, de onderzoekers pasten het toe op twee verbindingen:propiolzuur, waarvan de moleculen een langdurige samenhang vertonen, en propiolamide (een propiolzuurderivaat), waarin de decoherentie snel is. Het team hoopt binnenkort hun methode ook op honderden andere verbindingen te kunnen testen.

Hun ontdekking markeert een belangrijke stap naar een dieper begrip van moleculaire structuren en dynamica, en staat een nuttig hulpmiddel te zijn voor het observeren van langlevende elektronische coherentie in moleculen. Gesteund met een beter begrip van het decoherentieproces, wetenschappers zouden ooit in staat kunnen zijn om precies te observeren hoe moleculen werken in biologisch weefsel, bijvoorbeeld, of nieuwe soorten elektronische schakelingen te creëren.