I ricercatori della Rice University hanno fatto un progresso significativo nella simulazione del trasferimento di elettroni molecolari, un processo fondamentale alla base di innumerevoli processi fisici, chimici e biologici. Lo studio, pubblicato in Progressi della scienzadescrive in dettaglio l’uso di un simulatore quantistico di ioni intrappolati per modellare le dinamiche di trasferimento degli elettroni con una regolazione senza precedenti, aprendo nuove opportunità per l’esplorazione scientifica in campi che vanno dall’elettronica molecolare alla fotosintesi.
Il trasferimento di elettroni, fondamentale per processi come la respirazione cellulare e la raccolta di energia nelle piante, rappresenta da tempo una sfida per gli scienziati a causa delle complesse interazioni quantistiche coinvolte. Le attuali tecniche computazionali spesso non riescono a cogliere l’intera portata di questi processi. Il team multidisciplinare della Rice, che comprende fisici, chimici e biologi, ha affrontato queste sfide creando un sistema quantistico programmabile in grado di controllare in modo indipendente i fattori chiave nel trasferimento di elettroni: gap energetici donatore-accettore, accoppiamenti elettronici e vibronici e dissipazione ambientale.
Utilizzando un cristallo ionico intrappolato in un sistema a vuoto e manipolato dalla luce laser, i ricercatori hanno dimostrato la capacità di simulare la dinamica dello spin in tempo reale e di misurare le velocità di trasferimento in una serie di condizioni. I risultati non solo convalidano le teorie chiave della meccanica quantistica, ma aprono anche la strada a nuove conoscenze sui sistemi di raccolta della luce e sui dispositivi molecolari.
“Questa è la prima volta che questo tipo di modello è stato simulato su un dispositivo fisico includendo il ruolo dell’ambiente e persino adattandolo in modo controllato”, ha affermato il ricercatore capo Guido Pagano, assistente professore di fisica e astronomia. “Rappresenta un significativo passo avanti nella nostra capacità di utilizzare simulatori quantistici per studiare modelli e regimi rilevanti per la chimica e la biologia. La speranza è che, sfruttando la potenza della simulazione quantistica, saremo finalmente in grado di esplorare scenari che sono attualmente inaccessibile ai metodi computazionali classici.”
Il team ha raggiunto un traguardo significativo replicando con successo un modello standard di trasferimento di elettroni molecolari utilizzando una piattaforma quantistica programmabile. Attraverso la precisa ingegneria della dissipazione sintonizzabile, i ricercatori hanno esplorato sia i regimi adiabatici che quelli non adiabatici del trasferimento di elettroni, dimostrando come questi effetti quantistici operano in condizioni variabili. Inoltre, le loro simulazioni hanno identificato condizioni ottimali per il trasferimento di elettroni, che sono parallele ai meccanismi di trasporto dell’energia osservati nei sistemi fotosintetici naturali.
“Il nostro lavoro è guidato dalla domanda: è possibile utilizzare l’hardware quantistico per simulare direttamente la dinamica chimica?” Ha detto Pagano. “Nello specifico, possiamo incorporare gli effetti ambientali in queste simulazioni poiché svolgono un ruolo cruciale nei processi essenziali per la vita come la fotosintesi e il trasferimento di elettroni nelle biomolecole? Rispondere a questa domanda è significativo in quanto la capacità di simulare direttamente il trasferimento di elettroni nelle biomolecole potrebbe fornire preziose informazioni per la progettazione di nuovi materiali che raccolgono la luce.”
Le implicazioni per le applicazioni pratiche sono di vasta portata. Comprendere i processi di trasferimento degli elettroni a questo livello potrebbe portare a scoperte rivoluzionarie nelle tecnologie delle energie rinnovabili, nell’elettronica molecolare e persino nello sviluppo di nuovi materiali per l’informatica quantistica.
“Questo esperimento è un primo passo promettente per acquisire una comprensione più profonda di come gli effetti quantistici influenzano il trasporto di energia, in particolare nei sistemi biologici come i complessi fotosintetici”, ha affermato Jose N. Onuchic, coautore dello studio, Harry C. e Olga K. Wiess. Cattedra di Fisica e professore di fisica e astronomia, chimica e bioscienze. “Le informazioni che otteniamo in questo tipo di esperimento potrebbero ispirare la progettazione di materiali più efficienti per la raccolta della luce.”
Peter G. Wolynes, coautore dello studio, professore di scienze della DR Bullard-Welch Foundation e professore di chimica, bioscienze, fisica e astronomia, ha sottolineato il significato più ampio dei risultati: “Questa ricerca colma il divario tra previsioni teoriche e verifica sperimentale , offrendo un quadro squisitamente sintonizzabile per esplorare i processi quantistici in sistemi complessi.”
Il team prevede di estendere le proprie simulazioni per includere sistemi molecolari più complessi come quelli coinvolti nella fotosintesi e nel trasporto di carica del DNA. I ricercatori sperano anche di studiare il ruolo della coerenza quantistica e della delocalizzazione nel trasferimento di energia, sfruttando le capacità uniche della loro piattaforma quantistica.
“Questo è solo l’inizio”, ha detto Han Pu, co-autore principale dello studio e professore di fisica e astronomia. “Siamo entusiasti di esplorare come questa tecnologia possa aiutare a svelare i misteri quantistici della vita e oltre”.
Gli altri coautori dello studio includono gli studenti laureati Visal So, Midhuna Duraisamy Suganthi, Abhishek Menon, Mingjian Zhu e il ricercatore Roman Zhuravel.
Questa ricerca è stata resa possibile grazie al Welch Foundation Award C-2154, al Office of Naval Research Young Investigator Program (No. N00014-22-1-2282), al National Science Foundation CAREER Award (No. PHY-2144910), al Ufficio di ricerca dell’esercito (W911NF22C0012), l’Ufficio di ricerca navale (n. N00014-23-1-2665), il NSF (PHY-2207283, PHY-2019745 e PHY-2210291) e la cattedra DR Bullard-Welch presso Rice (n. C0016). Gli autori riconoscono che questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dal Dipartimento dell’Energia, dell’Ufficio della Scienza e dell’Ufficio di Fisica Nucleare degli Stati Uniti con il premio Early Career Award n. DE-SC0023806. Gli isotopi utilizzati in questa ricerca sono stati forniti dal Programma isotopico del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti gestito dall’Ufficio di ricerca e sviluppo e produzione di isotopi.
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