Раскрытие квантового танца: эксперименты раскрывают связь вибрационной и электронной динамики

19 июля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Саванна Митчем, Аргоннская национальная лаборатория

Почти столетие назад физики Макс Борн и Дж. Роберт Оппенгеймер разработали предположение о том, как квантовая механика действует в молекулах, которые состоят из сложных систем ядер и электронов. Приближение Борна-Оппенгеймера предполагает, что движение ядер и электронов в молекуле независимо друг от друга и может рассматриваться отдельно.

Эта модель работает в большинстве случаев, но ученые проверяют ее пределы. Недавно группа ученых продемонстрировала нарушение этого предположения в очень быстрых временных масштабах, обнаружив тесную связь между динамикой ядер и электронов. Это открытие может повлиять на конструкцию молекул, полезных для преобразования солнечной энергии, производства энергии, квантовой информатики и многого другого.

Команда, в которую входят ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), Северо-Западного университета, Университета штата Северная Каролина и Вашингтонского университета, недавно опубликовала свое открытие в двух связанных статьях в журналах Nature и Angewandte Chemie International Edition.

«Наша работа раскрывает взаимодействие между динамикой спина электрона и колебательной динамикой ядер в молекулах в сверхбыстрых временных масштабах», — сказал Шахнаваз Рафик, научный сотрудник Северо-Западного университета и первый автор статьи в журнале Nature. «Эти свойства нельзя рассматривать независимо — они смешиваются и сложным образом влияют на электронную динамику».

Явление, называемое спин-вибронным эффектом, возникает, когда изменения в движении ядер внутри молекулы влияют на движение ее электронов. Когда ядра внутри молекулы колеблются — либо из-за своей внутренней энергии, либо из-за внешних стимулов, таких как свет, — эти вибрации могут влиять на движение их электронов, что, в свою очередь, может изменить спин молекулы — квантовомеханическое свойство, связанное с магнетизмом.

В процессе, называемом межсистемным пересечением, возбужденная молекула или атом меняет свое электронное состояние, меняя ориентацию спина электрона. Межсистемное скрещивание играет важную роль во многих химических процессах, в том числе в фотоэлектрических устройствах, фотокатализе и даже в биолюминесцентных животных. Чтобы это пересечение стало возможным, необходимы особые условия и разница в энергии между вовлеченными электронными состояниями.

С 1960-х годов учёные выдвинули теорию, что спин-вибронный эффект может играть роль в межсистемном пересечении, но прямое наблюдение этого явления оказалось сложной задачей, поскольку оно включает в себя измерение изменений в электронных, колебательных и спиновых состояниях на очень быстрой скорости. масштабы времени.

«Мы использовали сверхкороткие лазерные импульсы — до семи фемтосекунд, или семь миллионных долей миллиардной секунды — для отслеживания движения ядер и электронов в реальном времени, что показало, как спин-вибронный эффект может стимулировать межсистемное пересечение», сказал Линь Чен, заслуженный научный сотрудник Аргонна, профессор химии Северо-Западного университета и соавтор обоих исследований.

«Понимание взаимодействия между спин-вибронным эффектом и межсистемным пересечением потенциально может привести к новым способам контроля и использования электронных и спиновых свойств молекул».

Команда изучила четыре уникальные молекулярные системы, разработанные Феликсом Кастеллано, профессором Университета штата Северная Каролина и соавтором обоих исследований. Каждая из систем похожа на другую, но содержит контролируемые, известные различия в своих структурах. Это позволило команде получить доступ к немного другим эффектам межсистемного пересечения и вибрационной динамике, чтобы получить более полную картину взаимоотношений.