Forscher der Duke University haben eine quantenbasierte Methode implementiert, um einen Quanteneffekt in der Art und Weise zu beobachten, wie lichtabsorbierende Moleküle mit einfallenden Photonen interagieren. Der als konische Schnittpunkt bekannte Effekt schränkt die Wege ein, die Moleküle nehmen können, um zwischen verschiedenen Konfigurationen zu wechseln.
Die Beobachtungsmethode nutzt einen Quantensimulator, der aus der Forschung im Bereich Quantencomputing entwickelt wurde, und befasst sich mit einer seit langem bestehenden, grundlegenden Frage in der Chemie, die für Prozesse wie Photosynthese, Vision und Photokatalyse von entscheidender Bedeutung ist. Es ist auch ein Beispiel dafür, wie Fortschritte im Quantencomputing zur Erforschung der Grundlagenforschung genutzt werden.
Die Ergebnisse erscheinen online am 28. August in der Zeitschrift Naturchemie.
„Sobald Quantenchemiker auf diese konischen Schnittphänomene stießen, sagte die mathematische Theorie, dass es bestimmte molekulare Anordnungen gab, die nicht von einem zum anderen erreicht werden konnten“, sagte Kenneth Brown, Michael J. Fitzpatrick Distinguished Professor of Engineering an der Duke . „Diese Einschränkung, geometrische Phase genannt, ist nicht unmöglich zu messen, aber niemand war bisher in der Lage, sie zu messen. Die Verwendung eines Quantensimulators gab uns die Möglichkeit, sie in ihrer natürlichen Quantenexistenz zu sehen.“
Konische Schnittpunkte können als Berggipfel dargestellt werden, der die Spitze seiner von oben kommenden Reflexion berührt und die Bewegung von Elektronen zwischen Energiezuständen steuert. Die untere Hälfte des konischen Schnittpunkts stellt die Energiezustände und physikalischen Orte eines nicht angeregten Moleküls in seinem Grundzustand dar. Die obere Hälfte stellt dasselbe Molekül dar, jedoch mit angeregten Elektronen, die Energie von einem einfallenden Lichtteilchen absorbiert haben.
Das Molekül kann nicht im obersten Zustand bleiben – seine Elektronen sind relativ zu ihren Wirtsatomen in einer falschen Position. Um in den günstigeren Zustand mit niedrigerer Energie zurückzukehren, beginnen die Atome des Moleküls, sich neu anzuordnen, um den Elektronen zu begegnen. Der Punkt, an dem sich die beiden Berge treffen – der konische Schnittpunkt – stellt einen Wendepunkt dar. Den Atomen gelingt es entweder nicht, auf die andere Seite zu gelangen, indem sie sich wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzen und dabei überschüssige Energie an die sie umgebenden Moleküle abgeben, oder sie schaffen den Wechsel erfolgreich.
Da sich die Atome und Elektronen jedoch so schnell bewegen, zeigen sie Quanteneffekte. Das Molekül liegt nicht zu jedem Zeitpunkt in einer bestimmten Form – an einem beliebigen Ort auf dem Berg – vor, sondern in Wirklichkeit in mehreren Formen gleichzeitig. Man könnte sich alle diese möglichen Orte als eine Decke vorstellen, die um einen Teil der Berglandschaft gewickelt ist.
Aufgrund einer mathematischen Eigenart im System, die sich aus der zugrunde liegenden Mathematik ergibt und als geometrische Phase bezeichnet wird, können bestimmte molekulare Transformationen jedoch nicht stattfinden. Die Decke kann den Berg nicht vollständig umhüllen.
„Wenn ein Molekül zwei unterschiedliche Wege nehmen muss, um die gleiche endgültige Form zu erreichen, und diese Wege zufällig einen konischen Schnittpunkt umgeben, dann wäre das Molekül nicht in der Lage, diese Form anzunehmen“, sagte Jacob Whitlow, ein arbeitender Doktorand in Browns Labor. „Es ist ein Effekt, den man sich nur schwer vorstellen kann, weil die geometrische Phase selbst aus quantenmechanischer Sicht seltsam ist.“
Die Messung dieses Quanteneffekts war schon immer eine Herausforderung, da er sowohl kurzlebig (in der Größenordnung von Femtosekunden) als auch klein (auf der Skala von Atomen) ist. Und jede Störung des Systems verhindert dessen Messung. Während viele kleinere Teile des größeren konischen Schnittphänomens untersucht und gemessen wurden, ist die geometrische Phase den Forschern immer entgangen.
„Wenn konische Schnittpunkte existieren – was der Fall ist –, dann muss die geometrische Phase existieren“, sagte Brown, der auch Positionen in Duke-Physik und -Chemie innehat. „Aber was bedeutet es zu sagen, dass etwas existiert, das man nicht messen kann?“
In der Arbeit verwendeten Whitlow und Mitarbeiter einen Fünf-Ionen-Quantencomputer, der von der Gruppe von Jungsang Kim, dem angesehenen Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik der Schiciano-Familie an der Duke University, gebaut wurde. Der Quantencomputer nutzt Laser, um geladene Atome im Vakuum zu manipulieren und bietet so ein hohes Maß an Kontrolle. Whitlow und Zhubing Jia, ein Ph.D. Student in Browns Labor erweiterte auch die Leistungsfähigkeit des Systems, indem er Möglichkeiten entwickelte, die schwebenden Ionen in ihren elektromagnetischen Fallen physisch anzustoßen.
Abhängig davon, wie die Ionen bewegt werden und in welchem Quantenzustand sie sich befinden, können sie grundsätzlich genau die gleichen Quantenmechanismen aufweisen wie die Bewegung von Atomen um einen konischen Schnittpunkt. Und weil die Quantendynamik der eingefangenen Ionen etwa eine Milliarde Mal langsamer ist als die eines Moleküls, konnten die Forscher die geometrische Phase in Aktion direkt messen.
Die Ergebnisse ähneln in etwa einer zweidimensionalen Mondsichel. Wie im konischen Schnittdiagramm dargestellt, erreichen bestimmte Konfigurationen auf einer Seite des Kegels die andere Seite des Kegels nicht, obwohl keine Energiebarriere vorhanden ist. Das Experiment, sagt Brown, sei ein elegantes Beispiel dafür, wie selbst heutige rudimentäre Quantencomputer die inneren Quantenfunktionen komplexer Quantensysteme modellieren und aufdecken können.
„Das Schöne an eingefangenen Ionen ist, dass sie die komplizierte Umgebung beseitigen und das System sauber genug machen, um diese Messungen durchzuführen“, sagte Brown.
Ein unabhängiges Experiment an der Universität Sydney, Australien, hat ebenfalls die Auswirkungen der geometrischen Phase mithilfe eines Ionenfallen-Quantensimulators beobachtet. Der Ansatz unterscheidet sich in vielen technischen Details, die Gesamtbeobachtungen sind jedoch konsistent. Die Sydney-Arbeit wird in derselben Ausgabe von veröffentlicht Naturchemie.
Mehr Informationen:
Jacob Whitlow et al., Quantensimulation konischer Schnittpunkte unter Verwendung gefangener Ionen, Naturchemie (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01303-0