Исследователи из Сиднейского университета использовали возможности квантовой механики, чтобы наблюдать решающий молекулярный танец в таких реакциях, как фотосинтез. С помощью квантового компьютера они замедлили эти реакции в 100 миллиардов раз. Раньше такое прямое наблюдение было невозможно из-за быстроты этого явления.
Квантовая механика, которую сегодня до сих пор считают загадочной, является игровой площадкой для многих исследователей, стремящихся расшифровать взаимодействия на атомном уровне. В центре этих поисков находится команда из Сиднейского университета, которая сделала замечательный шаг вперед. Впервые учёным удалось напрямую наблюдать «молекулярный танец», необходимый для основных химических реакций, таких как фотосинтез.
С помощью квантового компьютера они смогли замедлить химическую реакцию в 100 миллиардов раз и изучить ее детально, практически в замедленной съемке. Это открытие может повлиять на наше понимание таких разнообразных явлений, как фотосинтез и разрушение озона. Исследование опубликовано в журнале .
Коническое пересечение: ключевой феномен
Исследование было посвящено молекулярному взаимодействию, получившему название «коническое пересечение». Это важнейшая концепция в изучении молекулярных взаимодействий. Чтобы понять это, необходимо вернуться к геометрии молекул. Каждая молекула имеет определенную пространственную конфигурацию, и когда мы говорим о коническом сечении, мы имеем в виду конкретные точки, в которых энергия двух молекулярных поверхностей совершенно одинакова. Когда две поверхности пересекаются, точкой пересечения является это коническое пересечение.
Но почему это так важно? Эти пересечения играют решающую роль, поскольку действуют как «вихри» на квантовом уровне. В субатомном мире электроны могут переходить из одного энергетического состояния в другое. Эти переходы необходимы для многих химических реакций. Коническое пересечение облегчает эти переходы, действуя как быстрый переход между различными электронными состояниями.
Такие перекрестки присутствуют во многих реакциях, включая фотосинтез. Изучая эти перекрестки, исследователи могут получить ценную информацию о том, как химические реакции работают на молекулярном уровне.
Квантовый компьютер — ключевой инструмент
Прямое наблюдение таких быстрых и тонких явлений, как пересечение конусов в химических реакциях, является серьезной задачей для исследователей.
Обратите внимание: Все больше украинцев обучаются в польских университетах. После окончания школы они хотели бы уехать дальше на Запад.
Взаимодействия такого масштаба происходят с ошеломляющей скоростью, часто всего за несколько фемтосекунд. Фемтосекунда — это одна квадриллионная доля секунды, или 0,0000000000000000000000000001 секунда. Это невероятно короткий период времени.Вот здесь-то и приходит на помощь квантовый компьютер с ионной ловушкой. В отличие от обычных компьютеров, квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для обработки информации. В квантовом компьютере квантовые частицы или ионы удерживаются в электрическом поле и управляются лазерами. Эта технология позволяет моделировать и наблюдать квантовые явления в реальном времени.
Ванесса Олайя Агудело, ведущий исследователь и аспирант, подчеркивает скорость естественного процесса, а в пресс-релизе подчеркивается мастерство их достижения. Используя квантовый компьютер, исследовательская группа смогла значительно замедлить реакцию. Она объясняет: «Используя наш квантовый компьютер, мы создали систему, которая позволила нам замедлить химическую динамику с нескольких фемтосекунд до нескольких миллисекунд. Это позволило нам проводить важные наблюдения и измерения".
Доктор Кристоф Валаху из Школы физики Сиднейского университета, соавтор работы, добавил: «Наш эксперимент не был численной аппроксимацией процесса. Это было прямое аналоговое наблюдение квантовой динамики, происходящей со скоростью, которую мы могли наблюдать".
Основные последствия для науки
Сверхбыстрая динамика на молекулярном уровне, несмотря на ее сложность, имеет фундаментальное значение для понимания многих химических процессов. Эта динамика, которая часто разворачивается в одно мгновение, является ключом ко многим реакциям, которые оказывают прямое влияние на нашу повседневную жизнь и окружающую среду.
Возможность наблюдать и понимать эту динамику открывает путь ко многим приложениям. В материаловедении лучшее понимание молекулярных взаимодействий может привести к созданию новых материалов с улучшенными или специфическими свойствами. В медицине это может улучшить разработку лекарств, позволяя исследователям более точно нацеливаться на желаемые молекулярные взаимодействия, тем самым повышая эффективность и уменьшая побочные эффекты.
Помимо прямых последствий, понимание этой динамики имеет и экологические последствия. Например, смог является результатом сложных химических реакций в атмосфере. Лучшее понимание этих реакций позволит разработать более эффективные стратегии по снижению загрязнения воздуха. Точно так же лучшее понимание молекулярных взаимодействий может помочь нам понять и, возможно, уменьшить ущерб, наносимый озоновому слою, который защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.