Svelare la danza quantistica: gli esperimenti rivelano il nesso tra dinamica vibrazionale ed elettronica

19 luglio 2023

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di Savannah Mitchem, Laboratorio nazionale Argonne

Quasi un secolo fa, i fisici Max Born e J. Robert Oppenheimer svilupparono un’ipotesi su come la meccanica quantistica agisce nelle molecole, che sono costituite da intricati sistemi di nuclei ed elettroni. L'approssimazione di Born-Oppenheimer presuppone che il movimento dei nuclei e degli elettroni in una molecola siano indipendenti l'uno dall'altro e possano essere trattati separatamente.

Questo modello funziona nella maggior parte dei casi, ma gli scienziati ne stanno testando i limiti. Recentemente, un team di scienziati ha dimostrato la rottura di questa ipotesi su scale temporali molto rapide, rivelando una stretta relazione tra la dinamica dei nuclei e degli elettroni. La scoperta potrebbe influenzare la progettazione di molecole utili per la conversione dell’energia solare, la produzione di energia, la scienza dell’informazione quantistica e altro ancora.

Il team, che comprende scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), della Northwestern University, della North Carolina State University e dell'Università di Washington, ha recentemente pubblicato la sua scoperta in due articoli correlati su Nature e Angewandte Chemie International Edition.

"Il nostro lavoro rivela l'interazione tra la dinamica dello spin dell'elettrone e la dinamica vibrazionale dei nuclei nelle molecole su scale temporali superveloci", ha affermato Shahnawaz Rafiq, ricercatore associato presso la Northwestern University e primo autore dell'articolo su Nature. "Queste proprietà non possono essere trattate in modo indipendente: si mescolano insieme e influenzano la dinamica elettronica in modi complessi."

Un fenomeno chiamato effetto spin-vibronico si verifica quando i cambiamenti nel movimento dei nuclei all'interno di una molecola influenzano il movimento dei suoi elettroni. Quando i nuclei vibrano all'interno di una molecola, a causa della loro energia intrinseca o di stimoli esterni, come la luce, queste vibrazioni possono influenzare il movimento dei loro elettroni, che a loro volta possono modificare lo spin della molecola, una proprietà quantomeccanica correlata al magnetismo.

In un processo chiamato incrocio tra sistemi, una molecola o un atomo eccitato cambia il suo stato elettronico invertendo l’orientamento dello spin dell’elettrone. L’incrocio tra sistemi svolge un ruolo importante in molti processi chimici, compresi quelli nei dispositivi fotovoltaici, nella fotocatalisi e persino negli animali bioluminescenti. Perché questo incrocio sia possibile sono necessarie condizioni specifiche e differenze di energia tra gli stati elettronici coinvolti.

Fin dagli anni '60, gli scienziati hanno teorizzato che l'effetto spin-vibronico potrebbe svolgere un ruolo nell'incrocio tra sistemi, ma l'osservazione diretta del fenomeno si è rivelata impegnativa, poiché comporta la misurazione dei cambiamenti negli stati elettronici, vibrazionali e di spin su impulsi molto veloci. scale temporali.

"Abbiamo utilizzato impulsi laser ultracorti - fino a sette femtosecondi, o sette milionesimi di miliardesimo di secondo - per tracciare il movimento dei nuclei e degli elettroni in tempo reale, il che ha mostrato come l'effetto spin-vibronico può guidare l'incrocio tra sistemi", ha detto Lin Chen, Argonne Distinguished Fellow, professore di chimica alla Northwestern University e co-autore corrispondente di entrambi gli studi.

"Comprendere l'interazione tra l'effetto spin-vibronico e l'incrocio tra sistemi potrebbe potenzialmente portare a nuovi modi per controllare e sfruttare le proprietà elettroniche e di spin delle molecole."

Il team ha studiato quattro sistemi molecolari unici progettati da Felix Castellano, professore alla North Carolina State University e autore co-corrispondente di entrambi gli studi. Ciascuno dei sistemi è simile all'altro, ma contiene differenze controllate e conosciute nelle sue strutture. Ciò ha permesso al team di accedere a effetti di incrocio inter-sistema e dinamiche vibrazionali leggermente diversi per ottenere un quadro più completo della relazione.