Son derece zor problemleri çözmeye yönlendirilen belirli bir teorik kimyager seti için eğlenceli görünen şey budur: moleküler polaritonlardaki elektromanyetik alanların klasik veya kuantum mekanik olarak tedavi edilip edilmeyeceğine karar vermek.
Hammes-Schiffer Group’tan yüksek lisans öğrencisi Millan Welman, moleküler polaritonların dinamiklerinin ilk prensip simülasyonları hiyerarşisini sunan yeni bir makalede ilk yazardır. Araştırma şurada yayınlandı Kimyasal Teorisi ve Hesaplama Dergisi.
Başlangıçta 67 sayfa uzunluğunda, kağıt von Neumann denklemleri ve güç spektrumları ile yoğundur. Hem elektronik hem de titreşim enerjisi ölçeklerinde dinamikleri araştırıyor. Hem geleneksel hem de nükleer-elektronik yörünge (NEO) formlarında zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel teorisini (DFT) kullanır. Polariton dinamiklerini simüle etmek için yarı klasik, ortalama alan-quantum ve tam kuantum yaklaşımlarını kapsar.
Welman bir araya getirerek eğlendi.
Welman, “Deney dünyasından var olan veriler var, bu da kimyasal reaksiyon oranlarını bir elektromanyetik alanla güçlü etkileşimler altında optik bir boşlukta gerçekleştirerek değiştirebileceğinizi gösteriyor.” Dedi. “Bu harika, eğlenceli bir sorun. Onu sevdim. Çünkü bu deneyler aslında bir şeylerin üzerindeyse, bu oldukça dönüştürücü olurdu.”
Polaritonlar kabaca güçlü ışık -matter etkileşimleri tarafından üretilen kuasipartiküller olarak tanımlanır. Tam olarak anlamadığımız karmaşık sistemlerdir, ancak ışığı kullanarak moleküler davranışın nasıl kontrol edileceğine dair anlayışımızı ilerletmeye yardımcı olabilirler.
Makale, deneycilerin klasik olarak tedavi ederek belirgin olmayan ışığı (yani elektromanyetik dalga) kuantum olarak tedavi ederek benzersiz davranışlar arayabilecekleri kavramsal bir çerçeve sunmaktadır. Bu farkın imzası, fotonlar ve moleküller arasındaki kuantum dolaşma kanıtıdır.
Araştırmacılar, moleküler polaritonların dinamik davranışlarını hesaplamalı olarak simüle eden yaklaşımlarla böyle bir fark için kanıtın tespit edilip edilemeyeceğini belirlemek istediler. Bu gerçekten böyle.
A. Barton Hepburn kimya profesörü Sharon Hammes-Schiffer ve eski grup Postdoc Tao Li ile birlikte Welman, güçlü bağlantı rejiminde moleküler polaritonların gerçek zamanlı dinamiklerini simüle etmek için ilk prensipler yöntemlerini sunan makaleyi yayınladı.
Araştırmacılar, temel bir perspektiften karmaşık polariton sistemine girmek için çalışmalarını optik bir boşlukla sınırlı bir elektromanyetik dalga ile etkileşime giren bir molekül üzerine odakladılar.
“Basit tutuyoruz,” dedi Welman. “Ama sorunun karmaşıklığında, bilgisayarınızda izlenebilir hale getirmek için kesinlikle gerekli olanın ötesinde bir azalma yok.”
Hemen uygulamaya sahip olmayabilecek bir tür temel araştırmadır. Ancak kuantum biliminin hızla gelişen dünyasında pratik bir sorun olarak, moleküler dinamikleri ve insanların gelecekteki teknolojiler için onları kontrol edebilme yollarını anlamak önemlidir.
Dolaşmayı görmek için daha derine inmek
Hammes-schiffer grubu, özellikle nükleer kuantum etkileri içeren kuantum kimyasal problemlerin simülasyonu üzerinde çalışır.
Bu araştırma ile ilgili soruşturma, birkaç yıl önce Li’nin hala laboratuvarla bir doktora sonrası olduğu başladı. Bu noktadan simüle edilmiş bir boşlukla çalışan Welman, hem klasik hareket hem de kuantum mekaniği denklemlerini kullanarak elektromanyetik alanı tedavi ederek sonuçlarda bir fark olup olmayacağını sordu. Orada.
Yüzeyde, simüle edilmiş polaritonların dinamikleri – sistemin nasıl hareket ettiğine baktığınızda zirvelerin gittiği spektrumlar, Rabi bölünmesi – hepsi aynıdı ve klasik olarak tarif edilebilir. Ancak daha derine inen Welman, simüle edilmiş polaritonların kuantum dolaşması nedeniyle yeni davranışlar ortaya çıkardığını keşfetti.
Hammes-Schiffer, “Bu ortaya çıkan heyecan verici bir şey. Kimse kuantum elektronları ve kuantum çekirdekleri ve kuantum boşluk modu ile tam kuantum yapmadı. Bu araştırmayı farklı kılan şey bu,” dedi.
“Öyleyse soru, bu ne kadar önemli ve onu nasıl kontrol edebiliriz? Ve ayrıca, deneycilere bunu deneylerinde görebilmeleri için nasıl rehberlik edebiliriz? Bunlar sorduğumuz daha büyük sorular.
“Bunu deneysel olarak ölçebilirler, henüz bilmiyoruz. Bir anlamda, bir deneyciye bağlantıyı artırabileceklerini ve sonra dolaşmayı göreceklerini söyleyebiliriz. Bu farklı bir davranış türü.” “Ama yine de, tüm bunları gerçekten anlamadan önce gidecek bir yolumuz var.”
En iyi açıklama
Laboratuar, ışık tutucu dolaşmanın rolünü ölçerek, bilim adamları polaritonları simüle ederken ışığın tedavisi için ne tür bir açıklama gerekli olduğunu hissetti. Metodolojileri, sadece zamana bağlı olmayan, aynı zamanda daha geleneksel, basitleştirilmiş model sistemlerinin aksine, polaritonları incelemeye bir yaklaşımı ileri sürer.
Welman, “Bu makalede, güzel bir teori olduğunu düşündüğüm yoğunluk fonksiyonel teorisini kullanarak çok yeni bir uygulamaya derin bir dalış yapma fırsatı buldum ve onu, hafif ve elektromanyetik alanların moleküllerle nasıl etkileşime girdiğinin daha büyük bir spektrumun kuyruğunda küçük bir kısmı anlama sorununa uygulama” dedi. “Bu deneyim her zaman kolay oldu mu? Kesinlikle değil. Ama derinden ödüllendiriciydi.”
Bu makale sadece bir molekülle etkileşime giren bir elektromanyetik alana baktığından, araştırmacılar deneysel fiziksel kimyagerlerin gerçekleştirebileceği araştırmaları yansıtmak için gittikçe daha fazla moleküle doğru inşa etmeyi umuyorlar.
Hammes-Schiffer, “Bazen ilk prensip dinamiklerini yapıp ne elde ettiğinizi görüyorsunuz,” dedi. “Şimdi bunu yaptığımıza göre, Millan’ın araştırmayı yapabileceği birçok yön var. Gerçekten birçok soru açıyor. Bu makale ileriye doğru yolculukta bir adım. Ve şimdi üzerine inşa edeceğiz.”
