Borna-Openheimera aproksimācijas pārkāpšana – eksperimenti atklāj sen teorētiskas kvantu parādības

Molekula, kas satur divus platīna atomus, absorbē fotonu un sāk vibrēt. Vibrācija ļauj apgriezties molekulas elektronu spinam, ļaujot sistēmai vienlaicīgi mainīt elektroniskos stāvokļus fenomenā, ko sauc par “starpsistēmu šķērsošanu”. Kredīts: Argonnes Nacionālā laboratorija

Īpaši ātri lāzeri un rentgena stari ir atklājuši savienojumu starp elektronisko un kodoldinamiku molekulās.

Gandrīz pirms gadsimta fiziķi Makss Borns un J. Roberts Openheimers izstrādāja hipotēzi par kvantu mehānikas darbību molekulās. Šīs molekulas sastāv no sarežģītām kodolu un elektronu sistēmām. Borna-Openheimera tuvinājums pieņem, ka kodolu un elektronu kustība molekulā notiek neatkarīgi un to var apstrādāt atsevišķi.

Šis modelis darbojas lielāko daļu laika, bet zinātnieki pārbauda tā robežas. Nesen zinātnieku komanda demonstrēja šī pieņēmuma sabrukumu ļoti ātrā laika skalā, atklājot ciešu saistību starp kodolu un elektronu dinamiku. Šis atklājums varētu ietekmēt saules enerģijas pārveidošanai, enerģijas ražošanai, kvantu informācijas zinātnei un daudz ko citu noderīgu molekulu dizainu.

Komanda, kurā ietilpst zinātnieki no ASV Enerģētikas departamenta Argonnas Nacionālās laboratorijas, Ziemeļrietumu universitātes, Ziemeļkarolīnas štata universitātes un Vašingtonas universitātes, nesen publicēja savu atklājumu divos saistītos dokumentos. dabu Un Angewandte Chemie International Edition.

“Mūsu darbs atklāj mijiedarbību starp elektronu griešanās dinamiku un molekulu kodolu vibrāciju dinamiku īpaši ātrā laika skalā,” sacīja Hārvardas universitātes zinātniskais līdzstrādnieks Shahnawaz Rafique. Ziemeļrietumu universitāte Pirmais autors ir Ali dabu papīrs. “Šīs īpašības nevar apstrādāt neatkarīgi; tās sajaucas un sarežģītā veidā ietekmē elektronisko dinamiku.”

Parādība, ko sauc par vibrācijas griešanās efektu, rodas, kad izmaiņas kodolu kustībā molekulā ietekmē tās elektronu kustību. Kad kodoli molekulā vibrē — vai nu savas enerģijas, vai ārēju stimulu, piemēram, gaismas, dēļ, šīs vibrācijas var ietekmēt to elektronu kustību, kas savukārt var mainīt molekulas spinu, kas ir kvantu mehāniskā īpašība, kas saistīta ar magnētisms.

Procesā, ko sauc par šķērsošanu starp sistēmām, molekula vai molekula tiek ierosināta kukurūza Tas maina savu elektronisko stāvokli, mainot elektrona griešanās virzienu. Sistēmu krustošanai ir svarīga loma daudzos ķīmiskos procesos, tostarp fotoelementu ierīcēs, fotokatalīzes un pat bioluminiscējošu dzīvnieku procesos. Lai šī šķērsošana būtu iespējama, ir nepieciešami noteikti nosacījumi un enerģijas atšķirības starp iesaistītajiem elektroniskajiem stāvokļiem.

Kopš 20. gadsimta 60. gadiem zinātnieki ir izvirzījuši hipotēzi, ka spin-vibrācijas efektam varētu būt nozīme krustojumā starp sistēmām, taču šīs parādības tieša novērošana ir izrādījusies sarežģīta, jo tas ietver elektronisko, vibrāciju un griešanās stāvokļu izmaiņu mērīšanu ļoti augstā līmenī. Ātri laika grafiki.

“Mēs izmantojām ultraīsus lāzera impulsus – līdz septiņām femtosekundēm jeb septiņām sekundes miljondaļām -, lai izsekotu kodolu un elektronu kustībai reāllaikā, parādot, kā vibrācijas spin efekts var izraisīt pāreju starp sistēmām,” sacīja Lins Čens. Ardžuns, izcilais Ziemeļrietumu universitātes ķīmijas profesors un abu pētījumu līdzautors: “Izpratne par mijiedarbību starp vibrācijas spina efektu un sistēmu krustošanos var radīt jaunus veidus, kā kontrolēt un izmantot molekulu elektroniskās un griešanās īpašības. ”.

Komanda pētīja četras unikālas molekulārās sistēmas, kuras izstrādāja Kalifornijas universitātes profesors Felikss Kastelāno Ziemeļkarolīnas štata universitāte Un abu pētījumu līdzautors. Katra sistēma ir līdzīga citai, taču to struktūrā ir kontrolētas un zināmas atšķirības. Tas ļāva komandai piekļūt nedaudz atšķirīgiem pārejas efektiem starp sistēmām un vibrāciju dinamikai, lai iegūtu pilnīgāku priekšstatu par attiecībām.

“Ģeometriskās izmaiņas, kuras mēs izstrādājām šajās sistēmās, radīja krustošanās punktus starp mijiedarbīgiem elektroniskiem ierosinātiem stāvokļiem ar nedaudz atšķirīgām enerģijām un dažādos apstākļos,” sacīja Castellano. “Tas sniedz ieskatu materiālu regulēšanā un projektēšanā, lai uzlabotu šo krustojumu.”

Vibrācijas rotācijas ietekme molekulās, ko izraisa vibrācijas kustība, izmaina enerģijas ainavu molekulās, palielinot sistēmu krustošanās iespējamību un ātrumu. Komanda arī atklāja galvenos starpposma elektroniskos stāvokļus, kas bija neatņemami vibrācijas griešanās trieciena procesā.

Rezultātus paredzēja un pastiprināja kvantu dinamikas aprēķini, ko veica Kalifornijas universitātes ķīmijas profesors Xiaosong Li. Vašingtonas Universitāte un Enerģētikas departamenta Klusā okeāna ziemeļrietumu nacionālās laboratorijas laboratorijas darbinieks. “Šie eksperimenti parādīja ļoti skaidru un skaistu ķīmiju reāllaikā, kas atbilst mūsu cerībām,” sacīja Li, kurš piedalījās žurnālā publicētajā pētījumā. Angewandte Chemie International Edition.

Eksperimentos atklātās dziļās atziņas ir solis uz priekšu tādu molekulu izstrādē, kuras var izmantot šīs spēcīgās kvantu mehāniskās attiecības. Tas varētu būt īpaši noderīgi saules baterijām, labākiem elektroniskajiem displejiem un pat medicīniskiem nolūkiem, kas balstās uz gaismas un vielas mijiedarbību.

Atsauces:

“Rotācijas-vibrācijas saskaņotība veicina singleta-tripleta pārveidi”, autori Šahnavazs Rafikss, Nikolass P. Veingarts, Sāra Kromere, Fēlikss N. Kastelāno un Lins X. Čens, 2023. gada 19. jūlijs, dabu.
doi: 10.1038/s41586-023-06233-y

Deniss Leščovs, Endrjū J. S. Valentīns, Bosangs Kims, Aleksiss V. Mills, Subhandži Rojs, Arnabs Čakrabortijs, Elza Pjasena, Kristofers Haldrups un Darens Dž. Hsu, Metjū S. Kirhners, Dolevs Remermens, Matjē Šolē, Dž. Maikls Glonea, Tims B. Van Driels, Fēlikss N. Castellano, Xiaosong Li un Lin X. Čens, 2023. gada 28. aprīlis, Angewandte Chemie International Edition.
doi: 10.1002/anie.202304615

Abus pētījumus atbalstīja Enerģētikas departamenta Zinātnes birojs. uz dabu Pētījumu daļēji atbalstīja Nacionālais zinātnes fonds. Eksperimenti iekšā Angewandte Chemie International Edition Tie tika veikti Linac koherentajā gaismas avotā Enerģētikas departamenta SLAC Nacionālās paātrinātāja laboratorijā. Citi autori par dabu Pētījumā iekļauti Nikolass P. Veingarts un Sāra Kromere. Pārējie autori rakstā, kas publicēts Angewandte Chemie International Edition Iekļauts Deniss Leščevs, Endrjū J. S. Valentīns, Pjoosans Kims, Aleksis V. Mills, Subhandži Rojs, Arnabs Čakrabortijs, Elisa Pjasina, Kristofers Haldrups, Darens J. Sū, Metjū S. Kirhners, Dolevs Rīmermans, Matjē Šolē, Dž. Maikls Glonea Tim. B. Van Driels.

READ  Ar smadzenēm darbināmi datori var būt nākotnes ceļš

Angelica Johnson

"Tīmekļa praktizētājs. Sašutinoši pazemīgs ēdiena entuziasts. Lepns twitter advokāts. Pētnieks."

Atbildēt

Jūsu e-pasta adrese netiks publicēta. Obligātie lauki ir atzīmēti kā *

Back to top