Ένα μόριο που περιέχει δύο άτομα πλατίνας απορροφά ένα φωτόνιο και αρχίζει να δονείται. Η δόνηση επιτρέπει στο σπιν ηλεκτρονίων του μορίου να αναστρέφεται, επιτρέποντας στο σύστημα να αλλάζει ηλεκτρονικές καταστάσεις ταυτόχρονα σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται διασταύρωση διασυστήματος. Credit: Argonne National Laboratory
Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ και οι ακτίνες Χ έχουν αποκαλύψει τη σύζευξη μεταξύ ηλεκτρονικής και πυρηνικής δυναμικής στα μόρια.
Πριν από σχεδόν έναν αιώνα, οι φυσικοί Max Born και J. Robert Oppenheimer ανέπτυξαν μια υπόθεση σχετικά με τη λειτουργία της κβαντικής μηχανικής μέσα στα μόρια. Αυτά τα μόρια αποτελούνται από πολύπλοκα συστήματα πυρήνων και ηλεκτρονίων. Η προσέγγιση Born-Oppenheimer υποθέτει ότι οι κινήσεις των πυρήνων και των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα μόριο συμβαίνουν ανεξάρτητα και μπορούν να αντιμετωπιστούν ξεχωριστά.
Αυτό το μοντέλο λειτουργεί τις περισσότερες φορές, αλλά οι επιστήμονες δοκιμάζουν τα όριά του. Πρόσφατα, μια ομάδα επιστημόνων απέδειξε την κατάρρευση αυτής της υπόθεσης σε πολύ γρήγορες χρονικές κλίμακες, αποκαλύπτοντας μια στενή σχέση μεταξύ της δυναμικής των πυρήνων και των ηλεκτρονίων. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να επηρεάσει το σχεδιασμό μορίων χρήσιμων για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας, την παραγωγή ενέργειας, την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας και πολλά άλλα.
Η ομάδα, η οποία περιλαμβάνει επιστήμονες από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το Northwestern University, το North Carolina State University και το University of Washington, δημοσίευσε πρόσφατα την ανακάλυψή τους σε δύο σχετικές εργασίες στο φύση Και Angewandte Chemie International Edition.
«Η εργασία μας αποκαλύπτει την αλληλεπίδραση μεταξύ της δυναμικής του σπιν ηλεκτρονίων και της δυναμικής των δονήσεων των πυρήνων στα μόρια σε εξαιρετικά γρήγορες χρονικές κλίμακες», δήλωσε ο Shahnawaz Rafique, επιστημονικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Πανεπιστήμιο Northwestern Ο πρώτος συγγραφέας είναι ο Αλί φύση χαρτί. «Αυτές οι ιδιότητες δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν ανεξάρτητα· αναμειγνύονται μεταξύ τους και επηρεάζουν την ηλεκτρονική δυναμική με πολύπλοκους τρόπους».
Ένα φαινόμενο που ονομάζεται φαινόμενο δόνησης σπιν συμβαίνει όταν αλλαγές στην κίνηση των πυρήνων μέσα σε ένα μόριο επηρεάζουν την κίνηση των ηλεκτρονίων του. Όταν οι πυρήνες μέσα σε ένα μόριο δονούνται – είτε λόγω της δικής τους ενέργειας είτε λόγω εξωτερικών ερεθισμάτων, όπως το φως – αυτές οι δονήσεις μπορούν να επηρεάσουν την κίνηση των ηλεκτρονίων τους, κάτι που με τη σειρά του μπορεί να αλλάξει το σπιν του μορίου, μια κβαντομηχανική ιδιότητα που σχετίζεται με μαγνητισμός.
Σε μια διαδικασία που ονομάζεται διασταύρωση μεταξύ συστημάτων, ένα μόριο ή ένα μόριο διεγείρεται καλαμπόκι Αλλάζει την ηλεκτρονική του κατάσταση αντιστρέφοντας την κατεύθυνση του σπιν του ηλεκτρονίου. Η διασταύρωση μεταξύ συστημάτων παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές χημικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένων εκείνων σε φωτοβολταϊκές συσκευές, φωτοκατάλυση, ακόμη και βιοφωταύγεια ζώα. Για να είναι δυνατή αυτή η διέλευση, απαιτούνται ορισμένες συνθήκες και διαφορές ενέργειας μεταξύ των εμπλεκόμενων ηλεκτρονικών καταστάσεων.
Από τη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι το φαινόμενο σπιν-δόνησης θα μπορούσε να παίξει ρόλο στη διασταύρωση μεταξύ των συστημάτων, αλλά η άμεση παρατήρηση αυτού του φαινομένου έχει αποδειχθεί δύσκολη, επειδή περιλαμβάνει τη μέτρηση αλλαγών σε ηλεκτρονικές, δονητικές καταστάσεις και καταστάσεις περιστροφής σε πολύ υψηλά επίπεδα. Γρήγορα χρονοδιαγράμματα.
«Χρησιμοποιήσαμε υπερμικρούς παλμούς λέιζερ —έως επτά φεμτοδευτερόλεπτα, ή επτά εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου— για να παρακολουθήσουμε την κίνηση των πυρήνων και των ηλεκτρονίων σε πραγματικό χρόνο, δείχνοντας πώς το φαινόμενο του δονητικού σπιν μπορεί να προκαλέσει διασταυρώσεις μεταξύ συστημάτων», δήλωσε ο Lin Chen. Arjun Διακεκριμένος Καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο Northwestern και συν-συγγραφέας και των δύο μελετών, «Η κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ του φαινομένου δόνησης σπιν και της τομής μεταξύ συστημάτων θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους ελέγχου και εκμετάλλευσης των ιδιοτήτων ηλεκτρονικών και σπιν των μορίων .»
Η ομάδα μελέτησε τέσσερα μοναδικά μοριακά συστήματα που σχεδιάστηκαν από τον Felix Castellano, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Κρατικό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας Και συν-συγγραφέας και των δύο μελετών. Κάθε σύστημα είναι παρόμοιο με το άλλο, αλλά περιέχουν ελεγχόμενες και γνωστές διαφορές στη δομή τους. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να έχει πρόσβαση σε ελαφρώς διαφορετικά εφέ διασταύρωσης μεταξύ των συστημάτων και της δυναμικής δόνησης για να αποκτήσει μια πληρέστερη εικόνα της σχέσης.
«Οι γεωμετρικές αλλαγές που σχεδιάσαμε σε αυτά τα συστήματα προκάλεσαν σημεία διέλευσης μεταξύ αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονικών διεγερμένων καταστάσεων να συμβούν σε ελαφρώς διαφορετικές ενέργειες και υπό διαφορετικές συνθήκες», είπε ο Castellano. “Αυτό παρέχει μια εικόνα για τον συντονισμό και το σχεδιασμό υλικών για τη βελτίωση αυτής της διέλευσης.”
Η επίδραση της δονητικής περιστροφής στα μόρια, που προκαλείται από τη δονητική κίνηση, αλλάζει το ενεργειακό τοπίο εντός των μορίων, αυξάνοντας την πιθανότητα και τον ρυθμό διασταύρωσης μεταξύ των συστημάτων. Η ομάδα ανακάλυψε επίσης βασικές ενδιάμεσες ηλεκτρονικές καταστάσεις που ήταν αναπόσπαστο μέρος της διαδικασίας κραδασμών σπιν-κρούσης.
Τα αποτελέσματα προβλέφθηκαν και ενισχύθηκαν από υπολογισμούς κβαντικής δυναμικής που πραγματοποιήθηκαν από τον Xiaosong Li, καθηγητή χημείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και εργαστηριακός συνεργάτης στο Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού του Τμήματος Ενέργειας. «Αυτά τα πειράματα έδειξαν πολύ καθαρή και όμορφη χημεία σε πραγματικό χρόνο που είναι σύμφωνη με τις προσδοκίες μας», είπε ο Λι, ο οποίος συμμετείχε στη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science. Angewandte Chemie International Edition.
Οι βαθιές γνώσεις που αποκαλύφθηκαν από τα πειράματα αντιπροσωπεύουν ένα βήμα προς τα εμπρός στον σχεδιασμό μορίων που μπορούν να επωφεληθούν από αυτήν την ισχυρή κβαντομηχανική σχέση. Αυτό θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για ηλιακά κύτταρα, καλύτερες ηλεκτρονικές οθόνες, ακόμη και ιατρικές θεραπείες που βασίζονται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης.
Βιβλιογραφικές αναφορές:
«Η περιστροφική-δονητική συνοχή οδηγεί τη μετατροπή μονής τριπλής» από τους Shahnawaz Rafique, Nicholas B. Weingartz, Sarah Cromer και Felix N. Castellano και Lin X. Chen, 19 Ιουλίου 2023, φύση.
doi: 10.1038/s41586-023-06233-y
«Ανίχνευση μονοπατιών διεγερμένης κατάστασης σε επιφάνειες δυνητικής ενέργειας με ατομική ανάλυση σε πραγματικό χρόνο» από τους Denis Leshchev, Andrew J. S. Valentine, Byosang Kim, Alexis W. Mills, Subhanji Roy, Arnab Chakraborty, Elsa Pyasen, Christopher Haldrup και Darren J. Hsu, Matthew S. Kirchner, Dolev Remmerman, Mathieu Chollet, J. Michael Glonea, Tim B. Van Driel, Felix N. Castellano, Xiaosong Li και Lin X. Chen, 28 Απριλίου 2023, Angewandte Chemie International Edition.
doi: 10.1002/anie.202304615
Και οι δύο μελέτες υποστηρίχθηκαν από το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας. ο φύση Η μελέτη υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. Πειράματα σε Angewandte Chemie International Edition Πραγματοποιήθηκαν στη Συνεκτική Πηγή Φωτός Linac στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC του Τμήματος Ενέργειας. Άλλοι συγγραφείς στο φύση Η μελέτη περιλαμβάνει τον Nicholas B. Weingartz και Sarah Cromer. Οι άλλοι συγγραφείς στην εργασία που δημοσιεύτηκε στο Angewandte Chemie International Edition Περιλαμβάνονται οι Denis Leshchev, Andrew J. S. Valentine, Pyoosang Kim, Alexis W. Mills, Subhanji Roy, Arnab Chakraborty, Elissa Pyasin, Christopher Haldrup, Darren J. Hsu, Matthew S. Kirchner, Dolev Remmerman, Mathieu Chollet, J. Michael Glone . ΣΙ. Βαν Ντρίελ.