Investigadores de EPFL, trabajando en el límite entre la física clásica y la cuántica, han desarrollado un método para detectar rápidamente moléculas con propiedades electrónicas particularmente interesantes.

La tecnología láser está dando a los científicos una mirada cada vez más cercana a las estructuras moleculares, y esto a veces lleva a sorpresas muy interesantes. En el Laboratorio de Química Física Teórica (LCPT) de EPFL, un equipo de investigación que estudia la dinámica de moléculas poliatómicas, moléculas formadas por varios átomos, se encontró con una de esas sorpresas. Descubrieron que los electrones en estas moléculas se mueven de manera bastante diferente de lo que se esperaría en átomos aislados.

En átomos aislados, las oscilaciones de la densidad de electrones son regulares, pero en la mayoría de las moléculas poliatómicas, las oscilaciones se amortiguan rápidamente. Este proceso se conoce como decoherencia. Sin embargo, en algunas moléculas, las oscilaciones duran más antes de que se establezca la decoherencia. Los investigadores de la EPFL desarrollaron un método que captura el mecanismo físico detrás de la decoherencia, lo que en consecuencia les permite identificar moléculas con coherencias duraderas. Su método podría resultar interesante en el desarrollo de nueva tecnología basada en electrones o en el estudio de efectos cuánticos en biomoléculas. Los hallazgos fueron publicados recientemente en Cartas de revisión física .

"El movimiento de los electrones se produce de forma extremadamente rápida, en una escala de attosegundos, por lo que es muy difícil de observar, "dice Nikolay Golubev, un postdoctorado en LCPT y autor principal del estudio. Es más, El movimiento de los electrones está fuertemente acoplado a otros procesos en una molécula. Es por eso que el equipo de investigación incorporó información adicional en su estudio:la dinámica más lenta de los núcleos atómicos y su influencia en la de los electrones. Se encontró que en la mayoría de las estructuras moleculares, el lento reordenamiento nuclear amortigua las oscilaciones inicialmente coherentes de los electrones y las hace desaparecer en unos pocos femtosegundos.

Un enfoque semiclásico

Para determinar si este fenómeno está ocurriendo realmente, Los investigadores desarrollaron una técnica teórica para una descripción precisa y eficiente de la dinámica de los electrones y núcleos después de que las moléculas son ionizadas por pulsos láser ultracortos. Utilizaron lo que se considera un enfoque semiclásico en el sentido de que combina características cuánticas, como la existencia simultánea de varios estados, y características clásicas, a saber, las trayectorias clásicas que guían las funciones de onda moleculares. Este método permite a los científicos detectar el proceso de decoherencia mucho más rápido, facilitando el análisis de muchas moléculas y, por lo tanto, detectar aquellas que podrían tener coherencias duraderas.

"Resolver la ecuación de Schrödinger para la evolución cuántica de la función de onda de una molécula poliatómica es exactamente imposible, incluso con las supercomputadoras más grandes del mundo, "dice Jiri Vanicek, jefe de la LCPT. "El enfoque semiclásico hace posible reemplazar el problema cuántico intratable con un todavía difícil, pero solucionable, problema, y proporciona una interpretación simple en la que la molécula puede verse como una pelota rodando en un paisaje de alta dimensión ".

Para ilustrar su método, los investigadores lo aplicaron a dos compuestos:ácido propiólico, cuyas moléculas presentan una coherencia duradera, y propiolamida (un derivado del ácido propiólico), en el que la decoherencia es rápida. El equipo espera poder probar pronto su método en cientos de otros compuestos.

Su descubrimiento marca un paso importante hacia una comprensión más profunda de las estructuras y dinámicas moleculares, y se perfila como una herramienta útil para observar la coherencia electrónica de larga duración en las moléculas. Respaldado por una mejor comprensión del proceso de decoherencia, los científicos podrían algún día observar exactamente cómo actúan las moléculas en el tejido biológico, por ejemplo, o crear nuevos tipos de circuitos electrónicos.