Квантовый симулятор показал, как вибрации направляют поток энергии в молекулах
Учёные из Университета Райса под руководством Гвидо Пагано использовали специализированное квантовое устройство для симуляции вибрирующей молекулы и отслеживания движения в ней энергии. Работа, опубликованная 5 декабря в журнале Nature Communications, может улучшить понимание базовых механизмов таких явлений, как фотосинтез и преобразование солнечной энергии.
Исследователи смоделировали простую молекулу с двумя центрами — донором, поставляющим энергию, и акцептором, принимающим её, — на которые влияют вибрации и окружающая среда. Настраивая систему, они могли напрямую наблюдать за перемещением энергии и изучать, как вибрации и потери энергии влияют на этот перенос.
«Теперь мы можем наблюдать, как энергия движется в синтетической молекуле, независимо регулируя каждую переменную, чтобы увидеть, что действительно важно», — сказал Пагано, доцент физики и астрономии.
Программируемая молекула на захваченных ионах
Эксперимент использовал цепочку захваченных атомов из двух изотопов одного элемента. Один изотоп кодировал молекулярную информацию, а другой формировал окружающую среду. Вместе с двумя выбранными естественными вибрациями ионов эта схема позволила представить молекулу с донорным и акцепторным центрами, связанными с двумя типами молекулярных вибраций.
Исследователи использовали лазеры для создания и управления энергетическими состояниями и вибрациями, а также ввели механизм потерь энергии вибрациями, аналогичный тому, как реальные молекулы рассеивают энергию в окружающую среду.
Наблюдение за потоком энергии
Создав энергетический всплеск на донорном участке, учёные проследили его перемещение к акцептору.
«Регулируя взаимодействия между донором и акцептором, связь с двумя типами вибраций и их характер, мы могли видеть, как каждый фактор влияет на поток энергии», — пояснил Пагано.
Оказалось, что дополнительные вибрации ускоряют перенос энергии и открывают новые пути для её движения. Когда вибрации отличались друг от друга, перенос энергии становился менее чувствительным к несоответствию энергий донора и акцептора, расширяя диапазон эффективного переноса.
«Результаты показывают, что вибрации и их окружение — не просто фоновый шум, а могут активно направлять поток энергии неожиданным образом», — отметил Пагано.
Значение для практических устройств
Эти открытия могут помочь в проектировании органических солнечных элементов, молекулярных проводов и других устройств, зависящих от эффективного переноса энергии или заряда. Понимание влияния вибраций позволит создавать материалы, использующие эти квантовые эффекты, а не страдающие от них.
«Это те явления, существование которых теоретизировали физико-химики, но не могли легко изолировать экспериментально, особенно программируемым образом, до сих пор», — сказал Висал Со, аспирант Университета Райса и первый автор исследования.
Источник: Rice University
0 комментариев