Nel campo emergente dell’attochimica, gli scienziati utilizzano impulsi laser per innescare e dirigere il movimento degli elettroni all’interno delle molecole. Questo livello di precisione potrebbe un giorno permetterci di progettare prodotti chimici su richiesta. L’attochimica potrebbe anche permettere di controllare in tempo reale il modo in cui i legami chimici si rompono o si formano, portando alla creazione di farmaci altamente mirati, allo sviluppo di nuovi materiali con proprietà personalizzate e al miglioramento di tecnologie come la cattura dell’energia solare e il calcolo quantistico.
Ma l’ostacolo principale è la decoerenza: gli elettroni perdono la loro "sincronizzazione" quantistica in pochi femtosecondi (un milionesimo di miliardesimo di secondo), soprattutto quando la molecola è grande e flessibile. I ricercatori hanno provato vari metodi per mantenere la coerenza, ad esempio utilizzando atomi pesanti o temperature di congelamento. Poiché la coerenza quantistica scompare su scala macroscopica, la maggior parte degli approcci per mantenere la coerenza si basa sullo stesso presupposto: le molecole più grandi e flessibili perdono la loro coerenza più rapidamente. Cosa succede se questo presupposto è sbagliato?
Tre ricercatori, Alan Scheidegger e Jirí Vanícek dell’EPFL e Nikolay Golubev dell’Università dell’Arizona, hanno studiato una serie di semplici molecole organiche, ciascuna con gruppi aldeidici e alchinici terminali separati da una catena di atomi di carbonio. Grazie a simulazioni, hanno dimostrato che l’allungamento della catena di carbonio permette agli elettroni di rimanere sincronizzati più a lungo. Questa scoperta potrebbe aiutare a progettare molecole che mantengono le loro proprietà quantistiche più a lungo.
Modellare ogni minimo movimento degli atomi e degli elettroni sarebbe stato troppo complesso e impossibile da calcolare. I ricercatori hanno quindi utilizzato una scorciatoia intelligente: hanno trattato i nuclei atomici - i nuclei pesanti degli atomi - come se si muovessero secondo le regole della meccanica classica, come piccole palle da biliardo, tenendo conto della loro natura quantistica in modo approssimativo e tracciando meticolosamente gli elettroni più leggeri utilizzando le leggi esatte della meccanica quantistica, che hanno permesso di comprendere la loro natura ondulatoria e probabilistica. Questo approccio, chiamato dinamica semiclassica, ha fornito una visione dettagliata delle vibrazioni atomiche specifiche che interrompono il fragile stato quantico e di quelle che gli permettono di sopravvivere più a lungo.
Lo studio ha dimostrato che l’aggiunta di atomi di carbonio rallenta la decoerenza. Nelle molecole più grandi, come il pentotal, alcune vibrazioni che normalmente disturbano il flusso di elettroni sono diventate molto meno attive, se non addirittura scomparse. In effetti, lo studio ha dimostrato che solo particolari vibrazioni che preservano la simmetria della molecola hanno un impatto significativo sulla coerenza. Al contrario, le vibrazioni fuori piano, che avrebbero potuto causare disturbi, si sono rivelate ininfluenti.
I ricercatori hanno anche scoperto che la migrazione di carica non solo durava più a lungo, ma era anche più facile da osservare. Quando una molecola perde un elettrone, si lascia dietro un "buco", un’area di carica positiva che si comporta come un elettrone mancante. Nella molecola più grande studiata, questo buco migrante si muoveva più facilmente e in modo prevedibile lungo la catena di carbonio, con meno disturbi dovuti alle vibrazioni interne. Questo movimento più chiaro e stabile consente agli scienziati di temporizzare più facilmente gli interventi, ad esempio utilizzando un secondo impulso laser per influenzare le reazioni chimiche. In breve, aumentando le dimensioni della molecola, la migrazione della carica è stata stabilizzata anziché disturbata.
La coerenza quantistica non è solo un fenomeno di laboratorio: è essenziale per tecnologie come i computer quantistici, i sensori ultrasensibili e il controllo chimico laser. Lo studio dimostra che aumentando le dimensioni e la flessibilità delle molecole - senza perdere la loro reattività chimica - gli scienziati possono effettivamente estendere la coerenza quantistica e stabilizzare la migrazione di carica.
"La migrazione di carica è attualmente un’area di ricerca molto attiva ed è al centro del campo emergente dell’attochimica, che si basa su una coerenza elettronica sostenibile", spiega Alan Scheidegger, dottorando all’EPFL e autore principale dello studio. "Più in generale, l’estensione dei tempi di coerenza è di notevole interesse per i ricercatori che sviluppano tecnologie quantistiche"
