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Aug 22, 2023

Computador quântico revela dinâmica atômica da luz

28 de agosto de 2023 | Por Ken Kingery Um computador quântico retardou os efeitos quânticos moleculares simulados em um bilhão de vezes, permitindo aos pesquisadores medi-los diretamente pela primeira vez DURHAM, NC –

28 de agosto de 2023 | Por Ken Kingery

Um computador quântico desacelerou os efeitos quânticos moleculares simulados em um bilhão de vezes, permitindo que os pesquisadores os medissem diretamente pela primeira vez

DURHAM, NC – Pesquisadores da Duke University implementaram um método baseado em quantum para observar um efeito quântico na forma como as moléculas que absorvem luz interagem com os fótons que chegam. Conhecido como interseção cônica, o efeito limita os caminhos que as moléculas podem seguir para mudar entre diferentes configurações.

O método de observação utiliza um simulador quântico, desenvolvido a partir de pesquisas em computação quântica, e aborda uma questão fundamental e de longa data na química, crítica para processos como fotossíntese, visão e fotocatálise. É também um exemplo de como os avanços na computação quântica estão sendo usados ​​para investigar a ciência fundamental.

Os resultados aparecem online em 28 de agosto na revista Nature Chemistry.

“Assim que os químicos quânticos se depararam com esses fenômenos de interseção cônica, a teoria matemática disse que havia certos arranjos moleculares que não podiam ser alcançados de um para o outro”, disse Kenneth Brown, ilustre professor de engenharia Michael J. Fitzpatrick na Duke. . “Essa restrição, chamada fase geométrica, não é impossível de medir, mas ninguém conseguiu fazê-lo. Usar um simulador quântico nos deu uma maneira de vê-lo em sua existência quântica natural.”

As interseções cônicas podem ser visualizadas como o pico de uma montanha tocando a ponta de seu reflexo vindo de cima e governando o movimento dos elétrons entre os estados de energia. A metade inferior da interseção cônica representa os estados de energia e as localizações físicas de uma molécula não excitada em seu estado fundamental. A metade superior representa a mesma molécula, mas com seus elétrons excitados, tendo absorvido energia de uma partícula de luz que chega.

A molécula não pode permanecer no estado superior – seus elétrons estão fora de posição em relação aos átomos hospedeiros. Para retornar ao estado de energia mais favorável, os átomos da molécula começam a se reorganizar para encontrar os elétrons. O ponto onde as duas montanhas se encontram — a intersecção cônica — representa um ponto de inflexão. Os átomos podem não conseguir chegar ao outro lado, reajustando-se ao seu estado original, despejando o excesso de energia nas moléculas ao seu redor no processo, ou podem fazer a mudança com sucesso.

No entanto, como os átomos e os elétrons se movem muito rapidamente, eles exibem efeitos quânticos. Em vez de ter uma única forma – em qualquer lugar da montanha – a qualquer momento, a molécula tem, na verdade, muitas formas ao mesmo tempo. Poderíamos pensar em todas essas localizações possíveis como sendo representadas por um cobertor enrolado em uma parte da paisagem montanhosa.

Mas devido a uma peculiaridade matemática no sistema que emerge da matemática subjacente, chamada fase geométrica, certas transformações moleculares não podem acontecer. O cobertor não pode envolver totalmente a montanha.

“Se uma molécula tem dois caminhos diferentes para chegar à mesma forma final, e esses caminhos rodeiam uma intersecção cónica, então a molécula não seria capaz de assumir essa forma”, disse Jacob Whitlow, um estudante de doutoramento que trabalha no laboratório de Brown. “É um efeito difícil de obter intuição, porque a fase geométrica é estranha mesmo do ponto de vista da mecânica quântica.”

Medir esse efeito quântico sempre foi um desafio porque é de curta duração, na ordem dos femtossegundos, e pequeno, na escala dos átomos. E qualquer interrupção no sistema impedirá a sua medição. Embora muitas peças menores do fenômeno da intersecção cônica maior tenham sido estudadas e medidas, a fase geométrica sempre escapou aos pesquisadores.

“Se existem interseções cônicas – o que acontece – então a fase geométrica tem que existir”, disse Brown, que também tem cargos na física e na química da Duke. “Mas o que significa dizer que existe algo que não se pode medir?”