Sebuah tim di EPFL dan University of Arizona telah menemukan bahwa membuat molekul lebih besar dan lebih fleksibel sebenarnya dapat memperpanjang umur aliran muatan kuantum, sebuah temuan yang dapat membantu membentuk masa depan teknologi kuantum dan kontrol kimia.
Di bidang attokimia yang muncul, para ilmuwan menggunakan pulsa laser untuk memicu dan mengarahkan gerakan elektron di dalam molekul. Tingkat ketepatan ini suatu hari nanti bisa kita rancang bahan kimia sesuai permintaan. Attokimia juga dapat memungkinkan kontrol waktu nyata atas bagaimana ikatan kimia rusak atau terbentuk, mengarah pada penciptaan obat yang sangat ditargetkan, mengembangkan bahan baru dengan sifat yang dibuat khusus, dan meningkatkan teknologi seperti pemanenan energi matahari dan komputasi kuantum.
Tapi penghalang jalan yang besar dekoherensi: Elektron kehilangan “sinkronisasi” kuantum mereka dalam beberapa femtoseconds (sepersejuta dari persiapan detik), terutama ketika molekulnya besar dan floppy. Para peneliti telah mencoba berbagai metode untuk mempertahankan atom-atom berat yang menggunakan koherensi, suhu beku dll. Karena koherensi kuantum menghilang pada skala makroskopik, sebagian besar pendekatan untuk mempertahankan koherensi beroperasi pada asumsi yang sama: molekul yang lebih besar dan lebih fleksibel diasumsikan kehilangan koherensi lebih cepat. Bagaimana jika asumsi itu salah?
Menyelidiki pertanyaan itu, tiga peneliti, Alan Scheidegger dan Jirí Vanícek di EPFL, dan Nikolay Golubev di Universitas Arizona, mempelajari serangkaian molekul organik sederhana, masing -masing dengan kelompok alkinne dan aldehida terminal yang dipisahkan oleh rantai atom karbon. Mereka menggunakan simulasi untuk menunjukkan itu Membuat rantai karbon lebih lama sebenarnya membantu elektron tetap selaras lebih lama. Penemuan ini dapat membantu dalam merancang molekul yang berpegang pada sifat kuantum mereka lebih lama.
Memodelkan setiap gerakan kecil atom dan elektron akan terlalu kompleks dan tidak mungkin secara komputasi. Jadi para peneliti menggunakan jalan pintas yang cerdas: mereka memperlakukan inti atom inti atom-atom yang bergerak sesuai dengan aturan mekanika klasik, seperti bola biliar kecil, namun memperhitungkan sifat kuantum mereka dengan cara yang perkiraan, sementara melacak elektron yang lebih ringan menggunakan hukum yang tepat dari mekanika kuantum, yang sepenuhnya menarik-seperti-seperti-seperti-like dan probababistis. Pendekatan ini, yang disebut dinamika semiklasik, memberi mereka pandangan terperinci tentang getaran atom spesifik mana yang mengganggu keadaan kuantum yang rapuh dan mana yang memungkinkannya bertahan lebih lama.
Studi ini menemukan bahwa menambahkan atom karbon memperlambat dekoherensi. Dalam molekul yang lebih besar seperti pentynal, getaran tertentu yang biasanya mengganggu aliran elektron menjadi jauh lebih tidak aktif atau bahkan menghilang. Bahkan, penelitian ini menunjukkan bahwa hanya getaran khusus yang melestarikan simetri molekul memiliki dampak signifikan pada koherensi. Sebaliknya, getaran di luar bidang, yang mungkin diharapkan menyebabkan gangguan, ternyata hampir tidak berpengaruh.
Para peneliti juga menemukan bahwa migrasi muatan tidak hanya bertahan lebih lama tetapi juga menjadi lebih mudah untuk diamati. Ketika molekul kehilangan elektron, ia meninggalkan “lubang”-area muatan positif yang bertindak seperti elektron yang hilang. Dalam molekul terbesar yang diteliti, lubang migrasi ini bergerak lebih lancar dan dapat diprediksi di sepanjang rantai karbon, dengan lebih sedikit gangguan dari getaran internal. Gerakan yang lebih jelas dan lebih stabil ini memudahkan para ilmuwan untuk intervensi waktu yang tepat, seperti menggunakan pulsa laser kedua untuk mempengaruhi reaksi kimia. Pendeknya, Membuat molekul lebih besar membantu menstabilkan migrasi muatan alih -alih mengganggu.
Koherensi kuantum bukan hanya fenomena laboratorium-penting untuk teknologi seperti komputer kuantum, sensor ultra-sensitif, dan kontrol kimia yang digerakkan laser. Studi ini menunjukkan bahwa dengan membuat molekul lebih besar dan lebih fleksibel dengan kehilangan ilmuwan reaktivitas kimianya sebenarnya dapat memperluas koherensi kuantum dan menstabilkan migrasi muatan.
“Migrasi muatan saat ini merupakan area penelitian yang sangat aktif dan merupakan pusat dari bidang attokimia yang muncul, yang bergantung pada koherensi elektronik yang berkelanjutan,” kata Alan Scheidegger, seorang kandidat PhD di EPFL dan penulis utama penelitian ini. “Secara lebih luas, memperpanjang waktu koherensi sangat menarik bagi para peneliti yang mengembangkan teknologi kuantum.”
Referensi
Alan Scheidegger, Nikolay V. Golubev, Jirí Jl Vanícek. Dapatkah meningkatkan ukuran dan fleksibilitas molekul mengurangi dekoherensi dan memperpanjang migrasi muatan? PNAS, 30 Mei 2025. Doi: 10.1073/pnas.2501319122
