Il movimento non è facile da comprendere su scala quantistica, ma una nuova teoria matematica sviluppata dagli scienziati della Rice University e dell’Università di Oxford può aiutare e può fornire spunti per migliorare una varietà di sistemi computazionali, elettrochimici e biologici.

Sviluppata dal teorico della Rice Peter Woolens e dal chimico teorico di Oxford David Logan, la teoria fa una semplice previsione della soglia alla quale i grandi sistemi quantistici passano dal moto uniforme come un orologio al moto casuale e irregolare come gli asteroidi che si muovono all’inizio del sistema solare. Utilizzando l’analisi computazionale del modello di fotosintesi, i collaboratori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign hanno dimostrato che la teoria potrebbe prevedere la natura dei movimenti in una molecola di clorofilla quando assorbe energia dalla luce solare.

La teoria si applica a qualsiasi sistema quantistico sufficientemente complesso e può fornire informazioni sulla costruzione di computer quantistici migliori. Potrebbe anche, ad esempio, aiutare a progettare caratteristiche per la prossima generazione di celle solari o forse far durare più a lungo le batterie.

Lo studio è stato pubblicato questa settimana in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.

Nulla è ancora abbastanza a livello molecolare, specialmente quando entra in gioco la fisica quantistica. La scintillante goccia d’acqua sulla carta può sembrare immobile, ma al suo interno vibrano senza sosta più di un sestilione di molecole. Gli atomi di idrogeno e ossigeno e le particelle subatomiche al loro interno – nuclei ed elettroni – si muovono e interagiscono costantemente.

“Quando si pensa ai movimenti delle singole particelle su scala quantistica, c’è spesso questo confronto con il modo in cui pensiamo al sistema solare”, ha detto Woollens. “Scopri che ci sono otto pianeti nel nostro sistema solare, ognuno con un’orbita ben definita. Ma in realtà le orbite interagiscono tra loro. Tuttavia, le orbite sono molto prevedibili. Puoi andare al planetario, e loro’ Ti mostrerò com’era il cielo 2000 anni fa.” Molti dei movimenti degli atomi nelle molecole sono esattamente così regolari o in senso orario.”

Quando Wolynes e Logan posero per la prima volta il problema di prevedere la regolarità o la casualità del moto quantistico, testarono la loro matematica confrontandola con le osservazioni dei moti vibrazionali nelle singole particelle.

“Hai solo bisogno di sapere due cose su una molecola per essere in grado di analizzare i suoi modelli di movimento quantistico”, ha detto Woolens. “In primo luogo, è necessario conoscere le frequenze vibrazionali delle loro molecole, ovvero le frequenze alle quali si verificano le vibrazioni che sono come gli orbitali, e in secondo luogo, come queste vibrazioni interagiscono tra loro in modo non lineare. Queste interazioni non armoniche dipendono principalmente dalla massa di gli atomi. Per le molecole organiche, puoi prevedere quanto fortemente queste orbite vibrazionali interagiscono tra loro.

Le cose si complicano quando anche le molecole cambiano drasticamente la loro struttura, ad esempio a seguito di una reazione chimica.

“Una volta che iniziamo a guardare le molecole che reagiscono chimicamente o riorganizzano le loro strutture, sappiamo che c’è almeno un elemento di imprevedibilità o casualità nel processo perché, anche in termini classici, la reazione avviene o non avviene”, ha detto Wallens. . “Quando cerchiamo di capire come avvengono i cambiamenti chimici, c’è questa domanda: il movimento complessivo è come un orologio o è più irregolare?”

A parte le loro vibrazioni costanti, che si verificano senza luce, gli elettroni possono avere interazioni a livello quantico che a volte portano a svolte più drammatiche.

“Poiché sono così leggeri, gli elettroni di solito si muovono migliaia di volte più velocemente dei centri degli atomi, i nuclei”, ha detto. “Anche se sono in costante movimento, le orbite degli elettroni si adattano agevolmente a ciò che stanno facendo i nuclei. Ma di tanto in tanto, i nuclei arrivano in un punto in cui le energie elettroniche sono più o meno uguali sia che l’eccitazione sia su una molecola o su un altro. Questo si chiama crosstalk di superficie. Quando a questo punto, l’eccitazione ha la possibilità di saltare da un livello elettronico a un altro.

Prevedere a che punto il trasferimento di energia che si verifica durante la fotosintesi passa dal movimento ordinato a quello casuale o dissipativo, richiederebbe molto tempo e fatica mediante un calcolo diretto.

“È molto bello avere un’equazione molto semplice che determina quando ciò accade”, ha affermato Martin Gropelli, chimico dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign e coautore dello studio che fa parte della Joint Rice-Illinois Organization. Centro per i difetti di condizionamento nelle caratteristiche (CAFF). “Questo è qualcosa che non avevamo mai avuto prima, e ci sono voluti calcoli molto lunghi per capirlo.”

La teoria di Logan-Wolynes apre una vasta gamma di indagini scientifiche che vanno dall’esplorazione teorica dei fondamenti della meccanica quantistica alle applicazioni pratiche.

“La teoria di Logan-Wollens funziona davvero bene in termini di dirti approssimativamente quale input di energia otterrai da un cambiamento nel comportamento di un sistema quantistico”, ha detto Woolens.

“Ma una delle cose interessanti che hanno scoperto i calcoli su larga scala di (coautori Chenghao) Zhang e Gruebele è che ci sono queste eccezioni che si distinguono da tutti i possibili schemi orbitali che potresti avere. I movimenti durano per lunghi periodi di tempo e non sembrano essere casuali. Una delle domande che perseguiremo in anticipo è quanto questa continua regolarità influisca su processi come la fotosintesi”.

“C’è un’altra direzione perseguita alla Rice in cui questa teoria può aiutare con il problema di creare un computer quantistico che si comporti il ​​più possibile in modo simile a un orologio”, ha detto.

“Non vuoi che i tuoi computer cambino in modo casuale le informazioni. Più grande e complesso crei un computer, più è probabile che tu possa sperimentare una sorta di effetto casuale.”

Gruebele e i collaboratori dell’Illinois prevedono anche di utilizzare queste idee in altri contesti scientifici. “Uno dei nostri obiettivi, ad esempio, è progettare migliori molecole artificiali per la raccolta della luce che potrebbero essere costituite da punti di carbonio in grado di trasferire energia all’ambiente circostante dove può essere raccolta”, ha affermato Gropelli.