Исследователи из Университета Райса добились значительного прогресса в моделировании молекулярного переноса электронов — фундаментального процесса, лежащего в основе бесчисленных физических, химических и биологических процессов. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, подробно описывается использование квантового симулятора захваченных ионов для моделирования динамики переноса электронов с беспрецедентной возможностью настройки, что открывает новые возможности для научных исследований в самых разных 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, помещенный в вакуумную систему и управляемый лазерным светом, исследователи продемонстрировали способность моделировать динамику вращения в реальном времени и измерять скорость 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, учитывая роль окружающей среды и даже адаптируя ее 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 недоступно 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. для разработки новых светособирающих материалов.”
Последствия для практического применения имеют далеко идущие последствия. Понимание процессов переноса электронов на этом уровне может привести к прорыву в технологиях возобновляемых источников энергии, молекулярной электронике и даже разработке новых материалов для квантовых вычислений.
«Этот эксперимент — многообещающий первый шаг к более глубокому пониманию того, как квантовые эффекты влияют на транспорт энергии, особенно в биологических системах, таких как фотосинтетические комплексы», — сказал Хосе Н. Онучич, соавтор исследования Гарри К. и Ольги К. Висс заведующий кафедрой физики и профессор физики и астрономии, химии и биологических наук. «Идея, которую мы получим в ходе экспериментов такого типа, может вдохновить на разработку более эффективных светособирающих материалов».
Узнайте о последних достижениях науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org.
Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о достижениях,
инновации и важные исследования — ежедневно или еженедельно.
