La dinámica cuántica del hidrógeno es fundamental para muchos problemas de la naturaleza, estar fuertemente influenciado por el entorno en el que tiene lugar una reacción. En su contribución a PRL , los miembros del Grupo Lise Meitner en el MPSD abordan la transferencia de hidrógeno dentro de un interruptor molecular compatible, mostrando que el soporte de la superficie puede jugar un papel decisivo en la reacción del túnel.

En nanotecnología basada en moléculas, las moléculas individuales se convierten en los componentes fundamentales de los dispositivos electrónicos. La gran variedad de posibles arquitecturas moleculares y la posibilidad de manipular con precisión la síntesis molecular abre la puerta a un sinfín de componentes funcionales. Sin embargo, el desafío clave es obtener el control de estas funciones a nanoescala, donde los efectos de la mecánica cuántica se vuelven prominentes.

La molécula de porficeno es un ejemplo de un prototipo de interruptor molecular. El porfirina es un isómero estructural de la porfirina con fuertes enlaces H en su cavidad interna. Su capacidad de conmutación se basa en una reacción fundamental en física química:una doble transferencia de hidrógeno que puede intercambiar las posiciones de los hidrógenos en la cavidad interna y así definir diferentes estados de la molécula (encendido / apagado), un proceso llamado tautomerización.

Para controlar y medir la estructura atómica y la tasa de cambio de estas unidades moleculares, normalmente se inmovilizan poniéndolos en contacto con superficies metálicas. Esta situación requiere comprender la dinámica del hidrógeno dentro de un entorno que incluye tipos de interacciones cualitativamente diferentes entre átomos dentro de la molécula y entre la molécula y la superficie.

En este contexto, El porphycene se ha estudiado extensamente mediante técnicas experimentales de una sola molécula. Los investigadores han observado varios aspectos desconcertantes de la tasa de tautomerización en diferentes rangos de temperatura, incluidas las temperaturas en las que los átomos ya no se comportan como partículas clásicas, pero puede atravesar barreras en su lugar. Usando una montaña como analogía, los átomos viajarían instantáneamente entre dos valles en línea recta debajo de la montaña, en lugar de tomarse el tiempo para recorrerlo.

En su nuevo trabajo recién publicado en PRL , Yair Litman y Mariana Rossi abordan este interruptor molecular soportado con una metodología de vanguardia y nuevos algoritmos informáticos:una combinación de teoría funcional de densidad con instantones de polímero de anillo. Estos métodos finalmente permitieron que tales sistemas se estudiaran con simulaciones atomísticas a gran escala que tratan tanto a los electrones como a los núcleos como partículas de la mecánica cuántica. Los autores muestran que para el porficeno adsorbido en superficies de Cu (110) y Ag (110), De hecho, la reacción de transferencia de hidrógeno presenta una gran contribución de los túneles nucleares incluso a temperaturas no muy por debajo de la temperatura ambiente.

Sorprendentemente los autores descubrieron que con el descenso de la temperatura, Los átomos pesados ​​de la superficie, como el cobre, participan en la reacción de túnel de hidrógeno intramolecular y pueden provocar un aumento en la tasa de túnel de hasta dos órdenes de magnitud a una temperatura de alrededor de 80 K. Cuanto más fuerte es la interacción de la molécula con la superficie (hibridación de componentes electrónicos orbitales), cuanto más pronunciada es la participación de los átomos de la superficie en el evento de tunelización.

Notablemente, Los autores también explicaron una dependencia de la temperatura no convencional de la tasa de tunelización, que se observó previamente en experimentos. Es causada por la existencia de una estructura metaestable intermedia en la reacción, que existe por un período de tiempo tan corto (~ 100 picosegundos, siendo un picosegundo una billonésima de segundo) que no pudo ser detectado por las técnicas experimentales empleadas previamente en este sistema. Entendiendo este mecanismo, los autores también pudieron explicar diferentes regímenes de dependencia de la temperatura de la velocidad en el régimen de túnel y proponer un modelo simple para predecir esta dependencia de la temperatura para este interruptor adsorbido en otras superficies metálicas.

Estos son importantes nuevos conocimientos sobre el hecho de que ciertas características del soporte de la superficie pueden influir en las propiedades de la mecánica cuántica nuclear de la reacción de conmutación en estos, y probablemente otro, moléculas. También demuestran que los sustratos monocristalinos son una plataforma ideal donde la teoría y el experimento de vanguardia pueden unirse para proporcionar una comprensión más profunda de la dinámica cuántica nuclear en entornos complejos. Estos hallazgos son de una importancia fundamental considerable y también pueden orientar el diseño y la interpretación de arquitecturas experimentales en el desarrollo de la nanotecnología molecular.