Команда исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Университета Аризоны обнаружила, что увеличение размера и гибкости молекул может продлить время квантового потока заряда. Это открытие может определить будущее квантовых технологий и химического контроля. Их исследование [опубликовано](https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2501319122) в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В новой области аттохимии учёные используют лазерные импульсы для запуска и управления движением электронов внутри молекул. Такая точность может однажды позволить нам создавать химические вещества по требованию. Аттохимия также может обеспечить контроль в реальном времени над разрывом и образованием химических связей, что приведёт к созданию высокоцелевых лекарств, разработке новых материалов с индивидуальными свойствами и улучшению таких технологий, как использование солнечной энергии и квантовые вычисления.
Однако существует серьёзное препятствие — декогерентность: электроны теряют свою квантовую «синхронизацию» в течение нескольких фемтосекунд (одной миллионной миллиардной доли секунды), особенно когда молекула большая и гибкая. Исследователи пытались различными методами поддерживать когерентность — используя тяжёлые атомы, низкие температуры и т. д. Поскольку квантовая когерентность исчезает на макроскопических масштабах, большинство подходов к её поддержанию основаны на одном предположении: считалось, что более крупные и гибкие молекулы теряют когерентность быстрее. Но что, если это предположение неверно?
Исследование
Трое исследователей — Алан Шайдеггер и Иржи Ваничек из Федеральной политехнической школы Лозанны и Николай Голубев из Университета Аризоны — изучили серию простых органических молекул, каждая из которых имела терминальные алкиновые и альдегидные группы, разделённые цепью атомов углерода. Они использовали моделирование, чтобы показать, что увеличение длины углеродной цепи помогает электронам дольше оставаться синхронизированными. Это открытие может помочь в разработке молекул, которые дольше сохраняют свои квантовые свойства.
Моделирование каждого крошечного движения атомов и электронов было бы слишком сложным и вычислительно невозможным. Поэтому исследователи использовали хитрый приём: они рассматривали атомные ядра — тяжёлые ядра атомов — как движущиеся по правилам классической механики, подобно крошечным бильярдным шарам, но с учётом их квантовой природы приблизительным образом. При этом тщательно отслеживая более лёгкие электроны, используя точные законы квантовой механики, полностью отражая их волновую и вероятностную природу.
Этот подход, называемый полуклассической динамикой, дал им детальное представление о том, какие конкретные атомные колебания нарушали хрупкое квантовое состояние, а какие позволяли ему сохраняться дольше.
Исследование показало, что добавление атомов углерода замедляет декогерентность. В более крупных молекулах, таких как пентиналь, некоторые колебания, которые обычно нарушали бы поток электронов, стали гораздо менее активными или даже исчезли. Фактически исследование показало, что только определённые колебания, сохраняющие симметрию молекулы, оказывали значительное влияние на когерентность. В отличие от этого внеплоскостные колебания, которые, как можно было ожидать, вызовут нарушение, практически не оказали никакого эффекта.
Исследователи также обнаружили, что миграция заряда не только длилась дольше, но и стала более заметной. Когда молекула теряет электрон, она оставляет после себя «дыру» — область положительного заряда, которая действует как отсутствующий электрон. В самой крупной изученной молекуле эта мигрирующая «дыра» двигалась более плавно и предсказуемо вдоль углеродной цепи, с меньшими нарушениями от внутренних колебаний.
Это более чёткое и стабильное движение облегчает учёным точное время вмешательства, например, использование второго лазерного импульса для влияния на химические реакции.
Квантовая когерентность — это не просто лабораторное явление; она необходима для таких технологий, как квантовые компьютеры, сверхчувствительные датчики и лазерный химический контроль. Исследование показывает, что, делая молекулы больше и гибче — без потери их химической реактивности — учёные могут фактически продлить квантовую когерентность и стабилизировать миграцию заряда.
«Миграция заряда в настоящее время является весьма активной областью исследований и занимает центральное место в новой области аттохимии, которая опирается на устойчивую электронную когерентность», — говорит Шайдеггер, доктор философии в EPFL и ведущий автор исследования. «В более широком смысле продление времени когерентности представляет значительный интерес для исследователей, разрабатывающих квантовые технологии».