Forscher in Rochester haben eine Strategie angekündigt, um zu verstehen, wie die Quantenkohärenz von Molekülen in Lösungsmitteln voller chemischer Komplexität verloren geht. Die Ergebnisse öffnen die Tür für eine rationale Modifikation der Quantenkohärenz durch chemisches Design und Funktionalisierung. Bildnachweis: Annie Ousteau de Laffont
Die Ergebnisse können genutzt werden, um Moleküle mit maßgeschneiderten Quantenkohärenzeigenschaften zu entwerfen und so die chemische Grundlage für neue Quantentechnologien zu legen.
In der Quantenmechanik können Teilchen gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, was der Logik alltäglicher Experimente widerspricht. Diese als Quantenüberlagerung bekannte Eigenschaft ist die Grundlage für neue Quantentechnologien, die versprechen, Computer, Kommunikation und Sensorik zu verändern. Doch Quantenüberlagerungen stehen vor einer großen Herausforderung: der Quanteninkohärenz. Dabei bricht die präzise Überlagerung der Quantenzustände zusammen, wenn sie mit der Umgebung interagieren.
Die Herausforderung der Quantendekohärenz
Um die Kraft der Chemie zum Aufbau komplexer molekularer Strukturen für praktische Quantenanwendungen freizusetzen, müssen Wissenschaftler die Quantendekohärenz verstehen und kontrollieren, damit sie Moleküle mit spezifischen Quantenkohärenzeigenschaften entwerfen können. Dazu muss man wissen, wie man die chemische Struktur des Moleküls rational modifizieren kann, um die Quantenbindung zu modifizieren oder zu lockern. Zu diesem Zweck müssen Wissenschaftler die „Spektraldichte“ kennen, eine Größe, die zusammenfasst, wie schnell sich die Umgebung bewegt und wie stark sie mit dem Quantensystem interagiert.
Ein Durchbruch in der Spektraldichtemessung
Bisher war es theoretisch und experimentell schwierig, diese spektrale Dichte so zu messen, dass sie die Komplexität von Molekülen genau widerspiegelt. Doch ein Team von Wissenschaftlern hat eine Möglichkeit entwickelt, die spektrale Dichte von Molekülen in Lösungsmitteln mithilfe einfacher Resonanz-Raman-Experimente zu ermitteln, eine Methode, die die volle Komplexität chemischer Umgebungen erfasst. Unter der Leitung von Ignacio Franco, außerordentlicher Professor für Chemie und Physik an der Universität Rochester, veröffentlichte das Team seine Ergebnisse in einer Zeitschrift Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Verknüpfung der Molekülstruktur mit der Quantendekohärenz
Anhand der extrahierten Spektraldichte lässt sich nicht nur nachvollziehen, wie schnell die Ablösung erfolgt, sondern auch bestimmen, welcher Teil der chemischen Umgebung dafür hauptsächlich verantwortlich ist. Dadurch können Wissenschaftler nun Dekohärenzpfade kartieren, um die Molekülstruktur mit der Quantendekohärenz zu verknüpfen.
„Chemie entsteht aus der Idee, dass die molekulare Struktur die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Materie bestimmt. Dieses Prinzip leitet das moderne Design von Molekülen für Medizin, Landwirtschaft und Energieanwendungen. Mit dieser Strategie können wir endlich damit beginnen, chemische Designprinzipien für die Zukunft zu entwickeln.“ Quantentechnologien.
Resonanz-Raman-Experimente: ein Schlüsselwerkzeug
Dieser Durchbruch gelang, als das Team erkannte, dass Raman-Resonanzexperimente alle erforderlichen Informationen geliefert hatten, um die Ablösung mit voller chemischer Komplexität zu untersuchen. Solche Experimente werden routinemäßig zur Untersuchung der Photophysik und Photochemie eingesetzt, ihr Nutzen bei der Quantendekohärenz wurde jedoch nicht gewürdigt. Schlüsselideen entstanden aus Gesprächen mit David McCamant, einem außerordentlichen Professor am Department of Chemistry der University of Rochester und Experte für Raman-Spektroskopie, und mit Chang-Woo Kim, jetzt Fakultätsmitglied an der Chonnam National University in Korea und Experte für Quantendekohärenz, während er in Rochester promovierte.
Fallstudie: Ablösung von Thymin
Das Team nutzte seine Methode, um erstmals zu zeigen, wie die Elektronenkonfigurationen in Thymin, einem der Grundelemente beim Aufbau… DNAEs zerfällt in nur 30 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde), nachdem es ultraviolette Strahlung absorbiert hat. Sie fanden heraus, dass einige Schwingungen im Molekül die ersten Schritte des Ablösungsprozesses dominieren, während das Lösungsmittel die späteren Phasen dominiert. Darüber hinaus entdeckten sie, dass chemische Modifikationen an Thymin die Geschwindigkeit der Ablösung dramatisch verändern können, wobei Wasserstoffbrückenbindungen in der Nähe des Thyminrings zu einer schnelleren Ablösung führen.
Implikationen und zukünftige Anwendungen
Letztendlich ebnet die Forschung des Teams den Weg zum Verständnis der chemischen Prinzipien, die die Quantendekohärenz steuern. „Wir freuen uns, diese Strategie zu nutzen, um die Quantendekohärenz in Molekülen voller chemischer Komplexität zu verstehen und sie zur Entwicklung von Molekülen mit starken kohäsiven Eigenschaften zu nutzen“, sagt Franco.
Referenz: „Mapping Electronic Debonding Pathways in Molecules“ von Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant und Ignacio Franco, 28. November 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
doi: 10.1073/pnas.2309987120
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