No es fácil dar sentido al movimiento a escala cuántica, pero una nueva teoría matemática desarrollada por científicos de la Universidad de Rice y la Universidad de Oxford podría ayudar, y puede proporcionar información sobre cómo mejorar una variedad de sistemas informáticos, electroquímicos y biológicos.

La teoría desarrollada por el teórico de Rice Peter Wolynes y el químico teórico de Oxford David Logan ofrece una predicción simple para el umbral en el que los grandes sistemas cuánticos cambian de un movimiento ordenado como un reloj a un movimiento aleatorio y errático como los asteroides que se mueven en el sistema solar primitivo. Usando un análisis computacional de un modelo de fotosíntesis, los colaboradores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign demostraron que la teoría puede predecir la naturaleza de los movimientos en una molécula de clorofila cuando absorbe energía de la luz solar.

La teoría se aplica a cualquier sistema cuántico lo suficientemente complejo y puede brindar información sobre cómo construir mejores computadoras cuánticas. También podría, por ejemplo, ayudar a diseñar características de celdas solares de próxima generación o tal vez hacer que las baterías duren más.

El estudio se publica esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Nunca nada está completamente quieto en el nivel molecular, especialmente cuando la física cuántica juega un papel. Una gota de agua que brilla sobre una hoja puede parecer inmóvil, pero en su interior, más de un sextillón de moléculas vibran sin parar. Los átomos de hidrógeno y oxígeno y las partículas subatómicas dentro de ellos, los núcleos y los electrones, se mueven e interactúan constantemente.

« Al pensar en los movimientos de las moléculas individuales a escala cuántica, a menudo existe esta comparación con la forma en que pensamos en el sistema solar », dijo Wolynes. « Aprendes que hay ocho planetas en nuestro sistema solar, cada uno con una órbita bien definida. Pero, de hecho, las órbitas interactúan entre sí. Sin embargo, las órbitas son muy predecibles. Puedes ir a un planetario, y ellos Te mostraré cómo era el cielo hace 2000 años. Muchos de los movimientos de los átomos en las moléculas son exactamente así de regulares o similares a los de un reloj ».

Cuando Wolynes y Logan plantearon por primera vez la cuestión de predecir la regularidad o la aleatoriedad del movimiento cuántico, probaron sus matemáticas con las observaciones de los movimientos vibratorios en moléculas individuales.

« Solo tienes que saber dos cosas sobre una molécula para poder analizar sus patrones de movimiento cuántico », dijo Wolynes. « Primero, necesitas conocer las frecuencias vibratorias de sus partículas, es decir, las frecuencias en las que ocurren las vibraciones que son como las órbitas y, segundo, cómo estas vibraciones interactúan entre sí de forma no lineal. Estas interacciones anarmónicas dependen principalmente de la masa de átomos. Para las moléculas orgánicas, puede predecir con qué fuerza esas órbitas vibratorias interactuarían entre sí « .

Las cosas son más complicadas cuando las moléculas también cambian drásticamente de estructura, por ejemplo, como resultado de una reacción química.

« Tan pronto como comenzamos a observar moléculas que reaccionan químicamente o reorganizan su estructura, sabemos que hay al menos algún elemento de imprevisibilidad o aleatoriedad en el proceso porque, incluso en términos clásicos, la reacción ocurre o no ocurre. ”, dijo Wolynes. « Cuando tratamos de entender cómo ocurren los cambios químicos, surge esta pregunta : ¿el movimiento general es más similar a un reloj o es más irregular? »

Aparte de sus vibraciones continuas, que ocurren sin luz, los electrones pueden tener interacciones a nivel cuántico que a veces conducen a un giro más dramático.

« Debido a que son muy livianos, los electrones normalmente se mueven miles de veces más rápido que los centros de los átomos, los núcleos », dijo. « Entonces, aunque se mueven constantemente, las órbitas de los electrones se ajustan suavemente a lo que hacen los núcleos. Pero de vez en cuando, los núcleos llegan a un lugar donde las energías electrónicas serán casi iguales, ya sea que la excitación sea en una molécula o en la otra ». otro. Eso es lo que se llama un cruce de superficie. En ese punto, la excitación tiene la oportunidad de saltar de un nivel electrónico a otro « .

Predecir en qué punto la transferencia de energía que tiene lugar durante la fotosíntesis cambia de movimiento ordenado a aleatoriedad o disipación requeriría una cantidad significativa de tiempo y esfuerzo mediante cálculo directo.

« Es muy bueno que tengamos una fórmula muy simple que determina cuándo sucede esto », dijo Martin Gruebele, químico de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y coautor del estudio que forma parte del proyecto conjunto Rice-Illinois. Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) financiado por la National Science Foundation. « Eso es algo que simplemente no teníamos antes y resolverlo requirió cálculos muy largos ».

La teoría de Logan-Wolynes abre una amplia gama de investigaciones científicas que van desde la exploración teórica de los fundamentos de la mecánica cuántica hasta las aplicaciones prácticas.

« La teoría de Logan-Wolynes funcionó bastante bien en términos de decirle aproximadamente a qué entrada de energía obtendría un cambio en el comportamiento del sistema cuántico », dijo Wolynes. « Pero una de las cosas interesantes que encontraron los cálculos a gran escala de (coautor Chenghao) Zhang y Gruebele es que existen estas excepciones que se destacan de todos los posibles patrones de órbita que podría tener. Ocasionalmente, hay algunos rezagados donde simples los movimientos persisten durante mucho tiempo y no parecen ser aleatorios Una de las preguntas que vamos a abordar en el futuro es cuánto influye esa regularidad persistente en procesos como la fotosíntesis.

« Otra dirección que se está siguiendo en Rice donde esta teoría puede ayudar es el problema de hacer una computadora cuántica que se comporte tanto como sea posible como un reloj », dijo. « No desea que sus computadoras cambien la información al azar. Cuanto más grande y más sofisticada haga una computadora, más probable es que se encuentre con algún tipo de efectos de aleatorización ».

Gruebele y sus colaboradores en Illinois también planean usar estas ideas en otros contextos científicos. « Uno de nuestros objetivos, por ejemplo, es diseñar mejores moléculas de recolección de luz construidas por humanos que podrían consistir en puntos de carbono que pueden transferir la energía a su periferia donde se puede recolectar », dijo Gruebele.

Wolynes es profesor de ciencias de la Fundación Bullard-Welch de Rice y profesor de química, bioquímica y biología celular, de física y astronomía y de ciencia de materiales y nanoingeniería y codirector de su Centro de Física Biológica Teórica (CTBP), que está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. Logan es profesor Coulson de Química Teórica en Oxford. Gruebele es la Cátedra de Química James R. Eiszner y Zhang es un estudiante graduado en física en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

La Cátedra James R. Eiszner de Química y el Departamento de Física de Illinois, la Cátedra Bullard-Welch de Rice (C-0016) y la Fundación Nacional de Ciencias (PHY-2019745) apoyaron la investigación.