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Aug 22, 2023

Il computer quantistico svela la dinamica atomica della luce

28 agosto 2023 | Di Ken Kingery Un computer quantistico ha rallentato gli effetti quantistici molecolari simulati di un miliardo di volte, consentendo ai ricercatori di misurarli direttamente per la prima volta DURHAM, Carolina del Nord –

28 agosto 2023 | Di Ken Kingery

Un computer quantistico ha rallentato gli effetti quantistici molecolari simulati di un miliardo di volte, consentendo ai ricercatori di misurarli direttamente per la prima volta

DURHAM, Carolina del Nord – I ricercatori della Duke University hanno implementato un metodo basato sui quanti per osservare un effetto quantistico nel modo in cui le molecole che assorbono la luce interagiscono con i fotoni in arrivo. Conosciuto come intersezione conica, l’effetto pone limitazioni sui percorsi che le molecole possono intraprendere per cambiare tra diverse configurazioni.

Il metodo di osservazione fa uso di un simulatore quantistico, sviluppato dalla ricerca nel campo dell’informatica quantistica, e affronta una questione fondamentale di lunga data in chimica, fondamentale per processi come la fotosintesi, la visione e la fotocatalisi. È anche un esempio di come i progressi nell’informatica quantistica vengono utilizzati per indagare la scienza fondamentale.

I risultati saranno pubblicati online il 28 agosto sulla rivista Nature Chemistry.

"Non appena i chimici quantistici si sono imbattuti in questi fenomeni di intersezione conica, la teoria matematica ha detto che c'erano alcune disposizioni molecolari che non potevano essere raggiunte dall'una all'altra", ha affermato Kenneth Brown, il professore di ingegneria Michael J. Fitzpatrick alla Duke University. . “Quel vincolo, chiamato fase geometrica, non è impossibile da misurare, ma nessuno è stato in grado di farlo. L’uso di un simulatore quantistico ci ha dato la possibilità di vederlo nella sua naturale esistenza quantistica”.

Le intersezioni coniche possono essere visualizzate come il picco di una montagna che tocca la punta del suo riflesso proveniente dall'alto e governano il movimento degli elettroni tra gli stati energetici. La metà inferiore dell'intersezione conica rappresenta gli stati energetici e le posizioni fisiche di una molecola non eccitata nel suo stato fondamentale. La metà superiore rappresenta la stessa molecola ma con i suoi elettroni eccitati, che hanno assorbito energia da una particella di luce in arrivo.

La molecola non può rimanere nello stato superiore: i suoi elettroni sono fuori posizione rispetto agli atomi che li ospitano. Per ritornare allo stato energetico inferiore più favorevole, gli atomi della molecola iniziano a riorganizzarsi per incontrare gli elettroni. Il punto in cui le due montagne si incontrano, l'intersezione conica, rappresenta un punto di flesso. Gli atomi possono non riuscire a raggiungere l’altro lato riadattandosi al loro stato originale, scaricando l’energia in eccesso nelle molecole che li circondano nel processo, oppure possono effettuare con successo il passaggio.

Tuttavia, poiché gli atomi e gli elettroni si muovono così velocemente, mostrano effetti quantistici. Invece di avere una forma qualsiasi – in qualsiasi punto della montagna – in un dato momento, la molecola ha in realtà molte forme contemporaneamente. Si potrebbe pensare a tutte queste possibili località come rappresentate da una coperta avvolta attorno a una porzione del paesaggio montuoso.

Ma a causa di una stranezza matematica nel sistema che emerge dalla matematica sottostante, chiamata fase geometrica, alcune trasformazioni molecolari non possono avvenire. La coperta non può avvolgere interamente la montagna.

"Se una molecola ha due percorsi diversi da intraprendere per raggiungere la stessa forma finale, e questi percorsi circondano un'intersezione conica, allora la molecola non sarebbe in grado di assumere quella forma", ha affermato Jacob Whitlow, uno studente di dottorato che lavora nel laboratorio di Brown. "È un effetto di cui è difficile intuire, perché la fase geometrica è strana anche dal punto di vista della meccanica quantistica."

Misurare questo effetto quantistico è sempre stato impegnativo perché è sia di breve durata, nell’ordine dei femtosecondi, sia piccolo, sulla scala degli atomi. E qualsiasi interruzione del sistema ne impedirà la misurazione. Sebbene siano stati studiati e misurati molti pezzi più piccoli del più ampio fenomeno dell’intersezione conica, la fase geometrica è sempre sfuggita ai ricercatori.

"Se esistono intersezioni coniche - cosa che accade - allora deve esistere la fase geometrica", ha detto Brown, che ricopre anche incarichi di fisica e chimica alla Duke. “Ma cosa significa dire che esiste qualcosa che non si può misurare?”