
В первом ряду слева направо: Питер Волинес, Гвидо Пагано и Хосе Онучич. Задний ряд слева направо: Роман Журавель, Мидхуна Дурайсами Суганти и Висал Со. Фото: Алекс Беккер/Университет Райса.
Исследователи из Университета Райса добились значительного прогресса в моделировании молекулярного переноса электронов — фундаментального процесса, лежащего в основе бесчисленных физических, химических и биологических процессов. Исследование, опубликованное в Достижения наукиподробно описывает использование квантового симулятора захваченных ионов для моделирования динамики переноса электронов с беспрецедентной настраиваемостью, открывая новые возможности для научных исследований в различных областях, от молекулярной электроники до фотосинтеза.
Перенос электронов, имеющий решающее значение для таких процессов, как клеточное дыхание и сбор энергии в растениях, уже давно представляет собой проблему для ученых из-за сложных квантовых взаимодействий. Современные вычислительные методы часто не могут охватить весь масштаб этих процессов. Многопрофильная команда из Райса, включающая физиков, химиков и биологов, решила эти проблемы, создав программируемую квантовую систему, способную независимо контролировать ключевые факторы переноса электронов: донорно-акцепторные энергетические зазоры, электронные и вибронные связи и диссипацию в окружающей среде.
Используя ионный кристалл, запертый в вакуумной системе и управляемый лазерным светом, исследователи продемонстрировали способность моделировать динамику вращения в реальном времени и измерять скорости передачи в различных условиях. Полученные результаты не только подтверждают ключевые теории квантовой механики, но и открывают путь к новому пониманию систем сбора света и молекулярных устройств.
«Это первый случай, когда модель такого типа была смоделирована на физическом устройстве, при этом учитывалась роль окружающей среды и даже адаптировалась контролируемым образом», — сказал ведущий исследователь Гвидо Пагано, доцент кафедры физики и астрономии. «Это представляет собой значительный шаг вперед в нашей способности использовать квантовые симуляторы для исследования моделей и режимов, которые актуальны для химии и биологии. Есть надежда, что, используя возможности квантового моделирования, мы в конечном итоге сможем исследовать сценарии, которые в настоящее время недоступны классическим вычислительным методам».
Команда достигла важной вехи, успешно воспроизведя стандартную модель молекулярного переноса электронов с использованием программируемой квантовой платформы. Благодаря точной разработке регулируемой диссипации исследователи исследовали как адиабатические, так и неадиабатические режимы переноса электронов, продемонстрировав, как эти квантовые эффекты действуют в различных условиях. Кроме того, их моделирование выявило оптимальные условия для переноса электронов, которые параллельны механизмам переноса энергии, наблюдаемым в естественных фотосинтетических системах.
«Наша работа основана на вопросе: можно ли использовать квантовое оборудование для прямого моделирования химической динамики?» — сказал Пагано. «В частности, можем ли мы включить эффекты окружающей среды в эти симуляции, поскольку они играют решающую роль в процессах, важных для жизни, таких как фотосинтез и перенос электронов в биомолекулах? Решение этого вопроса важно, поскольку возможность напрямую моделировать перенос электронов в биомолекулах может дать ценную информацию. за разработку новых светособирающих материалов».
Последствия для практического применения имеют далеко идущие последствия. Понимание процессов переноса электронов на этом уровне может привести к прорывам в технологиях возобновляемых источников энергии, молекулярной электронике и даже разработке новых материалов для квантовых вычислений.
«Этот эксперимент является многообещающим первым шагом к более глубокому пониманию того, как квантовые эффекты влияют на транспорт энергии, особенно в биологических системах, таких как фотосинтетические комплексы», — сказал Хосе Н. Онучик, соавтор исследования Гарри К. и Ольги К. Висс. Кафедра физики и профессор физики и астрономии, химии и биологических наук. «Информация, которую мы получаем в ходе экспериментов такого типа, может вдохновить на разработку более эффективных светособирающих материалов».
Питер Г. Волайнс, соавтор исследования, профессор естественных наук Фонда доктора Булларда-Уэлча и профессор химии, биологических наук, физики и астрономии, подчеркнул более широкую значимость результатов: «Это исследование устраняет разрыв между теоретическими предсказаниями и экспериментальной проверкой. , предлагающий изысканно настраиваемую основу для исследования квантовых процессов в сложных системах».
Команда планирует расширить свое моделирование, включив в него более сложные молекулярные системы, например, участвующие в фотосинтезе и транспорте заряда ДНК. Исследователи также надеются изучить роль квантовой когерентности и делокализации в передаче энергии, используя уникальные возможности своей квантовой платформы.
«Это только начало», — сказал Хань Пу, соавтор исследования и профессор физики и астрономии. «Мы рады изучить, как эта технология может помочь разгадать квантовые тайны жизни и за ее пределами».
Среди других соавторов исследования — аспиранты Висал Со, Мидхуна Дурайсами Суганти, Абхишек Менон, Минцзян Чжу и ученый-исследователь Роман Журавель.
Дополнительная информация:
Визал Со и др., Квантовое моделирование моделей переноса электронов с захваченными ионами и настраиваемой диссипацией, Достижения науки (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ads8011.
Предоставлено Университетом Райса
Цитирование : Исследователи делают «значительный шаг вперед» с помощью квантового моделирования переноса молекулярных электронов (20 декабря 2024 г.), получено 20 декабря 2024 г. с https://phys.org/news/2024-12-significant-quantum-simulation-molecular-electron. HTML
Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.