Búsqueda de nuevas sustancias y desarrollo de nuevas técnicas en la industria química:tareas que a menudo se aceleran mediante simulaciones informáticas de moléculas o reacciones. Pero incluso las supercomputadoras alcanzan rápidamente sus límites. Ahora, los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching (MPQ) han desarrollado una alternativa, enfoque analógico. Un equipo internacional en torno a Javier Argüello-Luengo, Doctor. candidato en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), Ignacio Cirac, Director y Jefe del Departamento de Teoría del MPQ, Peter Zoller, Director del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Innsbruck (IQOQI), y otros han diseñado el primer plano de un simulador cuántico que imita la química cuántica de las moléculas. Como un modelo arquitectónico se puede utilizar para probar la estática de un edificio futuro, un simulador de moléculas puede ayudar a investigar las propiedades de las moléculas. Los resultados ahora se publican en la revista científica. Naturaleza .

Usando hidrógeno, la más simple de todas las moléculas, como ejemplo, el equipo global de físicos de Garching, Barcelona, Madrid, Beijing e Innsbruck demuestran teóricamente que el simulador cuántico puede reproducir el comportamiento de la capa de electrones de una molécula real. En su trabajo, también muestran cómo los físicos experimentales pueden construir un simulador de este tipo paso a paso. "Nuestros resultados ofrecen un nuevo enfoque para la investigación de los fenómenos que aparecen en la química cuántica, ", dice Javier Argüello-Luengo. Esto es muy interesante para los químicos porque las computadoras clásicas luchan notoriamente para simular compuestos químicos, como moléculas obedecen las leyes de la física cuántica. Un electrón en su caparazón por ejemplo, puede girar hacia la izquierda y hacia la derecha simultáneamente. En un compuesto de muchas partículas, como una molécula, el número de estas posibilidades paralelas se multiplica. Debido a que cada electrón interactúa entre sí, la complejidad se vuelve rápidamente imposible de manejar.

Como una salida en 1982, el físico estadounidense Richard Feynman sugirió lo siguiente:deberíamos simular sistemas cuánticos reconstruyéndolos como modelos simplificados en el laboratorio a partir de átomos individuales, que son inherentemente cuánticos, y por tanto implica un paralelismo de las posibilidades por defecto. Hoy dia, los simuladores cuánticos ya están en uso, por ejemplo para imitar cristales. Tienen un regular celosía atómica tridimensional que es imitada por varios rayos láser que se cruzan, la "celosía óptica". Los puntos de intersección forman algo así como pozos en un cartón de huevos en el que se llenan los átomos. La interacción entre los átomos se puede controlar amplificando o atenuando los rayos. De esta manera, los investigadores obtienen un modelo variable en el que pueden estudiar el comportamiento atómico con mucha precisión.

El gran desafío conceptual

Lo que ahora es novedoso es la idea de usar una estructura similar para simular una molécula, cuya química está determinada por su capa de electrones. En el modelo teórico propuesto, Los átomos eléctricamente neutros en la red óptica asumen el papel de electrones. Los átomos pueden moverse libremente de un pozo a otro en el "cartón de huevos" de manera similar a los electrones en la cáscara de una molécula real. El gran desafío conceptual que debían resolver los físicos fue que los electrones se repelen entre sí debido a su misma carga eléctrica. Esta interacción se denomina "interacción Coloumb" y tiene efecto incluso a grandes distancias. Sin embargo, los átomos en el "cartón de huevos" solo interactúan con sus vecinos directos. "Entonces, lo que también necesitábamos hacer era modelar la disminución característica de la interacción de Coulomb con la distancia entre los electrones simulados, "dice Argüello-Luengo.

Para abordar ese problema, los investigadores se inspiraron en cómo se describe la interacción Coloumb en la teoría cuántica. De acuerdo a esto, un electrón emite una partícula de luz (fotón) que es captada por otro electrón. Como dos personas en patines, con uno lanzando una pelota al otro para atraparla, esto hace que las personas se alejen unas de otras. Análogamente, los dos electrones se repelen. Entonces, los investigadores sugieren un mecanismo similar en su molécula modelada. Primero, cada pocillo del "cartón de huevos" está lleno de átomos adicionales. Cada uno de estos átomos de fondo puede excitarse energéticamente mediante la irradiación de una luz láser, proporcionando el medio para transmitir la interacción. Un átomo de fondo excitado pasa la energía a su vecino, quien lo transmite a su vecino y así sucesivamente. La excitación se mueve como un fotón a través del medio. "La excitación ocurre preferiblemente en las posiciones donde se encuentra uno de los electrones modelados, "explica Argüello-Luengo. El" electrón "y el átomo de fondo excitado se repelen. Si la excitación que viaja se encuentra con el segundo" electrón, "la repulsión también ocurre. Así es como se media el efecto. La probabilidad de tal intercambio disminuye con la distancia entre los dos" electrones, "como ocurre con la interacción de Coulomb.

Curiosamente, el simulador sugerido también puede escalar a moléculas más grandes que el hidrógeno. En el futuro, la gente podrá utilizar las simulaciones de un modelo como este sugerido, compárelo con un modelo de computadora convencional y ajústelo en consecuencia. El físico se atreve a mirar hacia el futuro:"Nuestro trabajo abre ahora la posibilidad de calcular de manera eficiente las estructuras electrónicas de las moléculas mediante la simulación cuántica analógica. Esto dará lugar a una comprensión más rica de los problemas (bio) químicos que son difíciles de explorar con los ordenadores actuales. "