Pesquisadores EPFL, trabalhando na fronteira entre a física clássica e quântica, desenvolveram um método para detectar rapidamente moléculas com propriedades eletrônicas particularmente interessantes.

A tecnologia laser está dando aos cientistas uma visão cada vez mais próxima das estruturas moleculares, e isso às vezes leva a surpresas muito interessantes. No Laboratório de Físico-Química Teórica (LCPT) da EPFL, uma equipe de pesquisa que estudava a dinâmica de moléculas poliatômicas - moléculas compostas de vários átomos - se deparou com uma dessas surpresas. Eles descobriram que os elétrons nessas moléculas se movem de maneira bem diferente do que seria esperado em átomos isolados.

Em átomos isolados, as oscilações da densidade do elétron são regulares, mas na maioria das moléculas poliatômicas, as oscilações tornam-se rapidamente amortecidas. Esse processo é conhecido como decoerência. Contudo, em algumas moléculas, as oscilações duram mais tempo antes do início da decoerência. Os pesquisadores da EPFL desenvolveram um método que captura o mecanismo físico por trás da decoerência, o que consequentemente lhes permite identificar moléculas com coerências duradouras. Seu método pode ser interessante no desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em elétrons ou no estudo de efeitos quânticos em biomoléculas. As descobertas foram publicadas recentemente em Cartas de revisão física .

"O movimento do elétron ocorre extremamente rápido - em uma escala de attossegundos - então é muito difícil de observar, "diz Nikolay Golubev, um pós-doutorado no LCPT e o autor principal do estudo. Além disso, o movimento do elétron está fortemente acoplado a outros processos em uma molécula. É por isso que a equipe de pesquisa incorporou informações adicionais em seu estudo:a dinâmica mais lenta dos núcleos atômicos e sua influência na dos elétrons. Foi descoberto que na maioria das estruturas moleculares o rearranjo nuclear lento amortece as oscilações inicialmente coerentes dos elétrons e os faz desaparecer em alguns femtossegundos.

Uma abordagem semiclássica

Para determinar se esse fenômeno está realmente ocorrendo, os pesquisadores desenvolveram uma técnica teórica para uma descrição precisa e eficiente da dinâmica dos elétrons e núcleos após as moléculas serem ionizadas por pulsos de laser ultracurtos. Eles usaram o que é considerado uma abordagem semiclássica na medida em que combina recursos quânticos, como a existência simultânea de vários estados, e recursos clássicos, nomeadamente trajectórias clássicas que orientam as funções de onda moleculares. Este método permite que os cientistas detectem o processo de decoerência muito mais rápido, tornando mais fácil analisar muitas moléculas e, portanto, localizar aquelas que poderiam ter coerências de longa duração.

"Resolver a equação de Schrödinger para a evolução quântica da função de onda de uma molécula poliatômica é exatamente impossível, mesmo com os maiores supercomputadores do mundo, "diz Jiri Vanicek, chefe do LCPT. "A abordagem semiclássica torna possível substituir o problema quântico intratável por um ainda difícil, mas solucionável, problema, e fornece uma interpretação simples em que a molécula pode ser vista como uma bola rolando em uma paisagem de alta dimensão. "

Para ilustrar seu método, os pesquisadores aplicaram a dois compostos:ácido propiólico, cujas moléculas apresentam coerência duradoura, e propiolamida (um derivado de ácido propiólico), em que a decoerência é rápida. A equipe espera poder testar seu método em centenas de outros compostos também.

Sua descoberta marca um passo importante para uma compreensão mais profunda das estruturas e dinâmicas moleculares, e é uma ferramenta útil para observar a coerência eletrônica de longa duração em moléculas. Apoiado por uma melhor compreensão do processo de decoerência, os cientistas poderão um dia ser capazes de observar exatamente como as moléculas agem no tecido biológico, por exemplo, ou criar novos tipos de circuitos eletrônicos.