Im aufstrebenden Bereich der Attochemie nutzen Wissenschaftler Laserimpulse, um die Bewegung von Elektronen innerhalb von Molekülen auszulösen und zu steuern. Dieser Grad an Präzision könnte es uns eines Tages ermöglichen, Chemikalien nach Bedarf zu entwerfen. Die Attochemie könnte es auch ermöglichen, in Echtzeit zu kontrollieren, wie chemische Bindungen aufgebrochen oder gebildet werden, zur Schaffung hochgradig zielgerichteter Medikamente führen, neue Materialien mit massgeschneiderten Eigenschaften entwickeln und Technologien wie das Auffangen von Sonnenenergie und Quantencomputer verbessern.
Das grösste Hindernis ist jedoch die Dekohärenz: Die Elektronen verlieren ihre Quantensynchronisation innerhalb von Femtosekunden (eine Millionstel Milliardstel Sekunde), insbesondere wenn das Molekül gross und flexibel ist. Die Forscherinnen und Forscher haben verschiedene Methoden ausprobiert, um die Kohärenz aufrechtzuerhalten, z. B. durch die Verwendung schwerer Atome oder Gefriertemperaturen. Da die Quantenkohärenz auf makroskopischer Ebene verschwindet, beruhen die meisten Ansätze zur Aufrechterhaltung der Kohärenz auf der gleichen Annahme: Grössere und flexiblere Moleküle verlieren ihre Kohärenz schneller. Was passiert, wenn diese Annahme falsch ist?
Die drei Forscher Alan Scheidegger und Jirí Vanícek von der EPFL und Nikolay Golubev von der Universität Arizona untersuchten eine Reihe einfacher organischer Moleküle, die jeweils endständige Aldehyd- und Alkyngruppen aufweisen, die durch eine Kette von Kohlenstoffatomen voneinander getrennt sind. Mithilfe von Simulationen zeigten sie, dass die Verlängerung der Kohlenstoffkette dazu führte, dass die Elektronen länger synchronisiert blieben. Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, Moleküle zu entwerfen, die ihre Quanteneigenschaften länger behalten.
Jede kleine Bewegung der Atome und Elektronen zu modellieren, wäre zu komplex und nicht berechenbar gewesen. Die Forscher nutzten daher eine intelligente Abkürzung: Sie behandelten die Atomkerne - die schweren Kerne der Atome - so, als bewegten sie sich nach den Regeln der klassischen Mechanik wie winzige Billardkugeln, während sie ihre Quantennatur nur annähernd berücksichtigten und die leichteren Elektronen mit Hilfe der exakten Gesetze der Quantenmechanik genau verfolgten, wodurch sie deren wellenförmige und wahrscheinlichkeitstheoretische Natur verstehen konnten. Dieser Ansatz, der als semiklassische Dynamik bezeichnet wird, verschaffte ihnen einen detaillierten Einblick in die spezifischen atomaren Schwingungen, die den fragilen Quantenzustand stören, und jene, die ihm ein längeres Überleben ermöglichen.
Die Studie ergab, dass das Hinzufügen von Kohlenstoffatomen die Dekohärenz verlangsamt. In grösseren Molekülen wie Pentynal wurden einige Schwingungen, die normalerweise den Elektronenfluss stören würden, viel weniger aktiv oder verschwanden sogar ganz. Tatsächlich zeigte die Studie, dass nur besondere Schwingungen, die die Symmetrie des Moleküls bewahren, einen signifikanten Einfluss auf die Kohärenz haben. Vibrationen ausserhalb der Ebene, die zu Störungen hätten führen können, erwiesen sich dagegen als wirkungslos.
Die Forscher stellten ausserdem fest, dass die Ladungswanderung nicht nur länger dauerte, sondern auch leichter zu beobachten war. Wenn ein Molekül ein Elektron verliert, hinterlässt es ein "Loch", einen Bereich mit positiver Ladung, der wie ein fehlendes Elektron wirkt. In dem grössten untersuchten Molekül bewegte sich dieses wandernde Loch leichter und vorhersehbarer entlang der Kohlenstoffkette, mit weniger Störungen durch innere Vibrationen. Diese klarere und stabilere Bewegung ermöglicht es den Wissenschaftlern, Eingriffe leichter zu timen, z. B. indem sie einen zweiten Laserpuls einsetzen, um chemische Reaktionen zu beeinflussen. Kurz gesagt: Durch die Vergrösserung der Molekülgrösse wurde die Ladungswanderung stabilisiert, anstatt sie zu stören.
Quantenkohärenz ist nicht nur ein Laborphänomen, sondern von entscheidender Bedeutung für Technologien wie Quantencomputer, hochempfindliche Sensoren und chemische Kontrolle durch Laser. Die Studie zeigt, dass Wissenschaftler durch die Erhöhung der Grösse und Flexibilität von Molekülen - ohne ihre chemische Reaktivität zu verlieren - tatsächlich die Quantenkohärenz erweitern und die Ladungsmigration stabilisieren können.
"Die Ladungsmigration ist derzeit ein sehr aktives Forschungsgebiet und steht im Mittelpunkt des aufstrebenden Sektors der Attochemie, der auf einer dauerhaften elektronischen Kohärenz beruht", erklärt Alan Scheidegger, Doktorand an der EPFL und Hauptautor der Studie. "Ganz allgemein ist die Verlängerung der Kohärenzzeiten für Forscherinnen und Forscher, die Quantentechnologien entwickeln, von grossem Interesse."
