La teoría puede separar el orden del caos en sistemas cuánticos complejos

No es fácil comprender el movimiento en la escala cuántica, pero una nueva teoría matemática desarrollada por científicos de la Universidad de Rice y la Universidad de Oxford puede ayudar, y podría proporcionar información sobre cómo mejorar una variedad de sistemas informáticos, electroquímicos y biológicos.

La teoría desarrollada por el teórico de Rice Peter Wolynes y el químico teórico de Oxford David Logan proporciona una predicción simple para el umbral en el que los grandes sistemas cuánticos cambian de un movimiento ordenado como un reloj a un movimiento aleatorio y errático como los asteroides que se mueven en el cielo. . Utilizando un análisis informático de un modelo de fotosíntesis, los colaboradores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign demostraron que la teoría puede predecir la naturaleza de los movimientos en una molécula de clorofila cuando absorbe energía de la luz solar.

La teoría se aplica a cualquier sistema cuántico lo suficientemente complejo y podría proporcionar información sobre cómo construir mejores computadoras cuánticas. También podría, por ejemplo, ayudar a diseñar capacidades de celdas solares de próxima generación o tal vez hacer que las baterías duren más.

El estudio fue publicado esta semana en Anales de la Academia Nacional de Ciencias.

Nada es completamente estacionario a nivel molecular, especialmente cuando la física cuántica juega un papel. Una gota de agua que brilla sobre una hoja puede parecer inmóvil, pero en su interior, más de un sextillón de moléculas vibran sin parar. Los átomos de hidrógeno y oxígeno y las partículas subatómicas dentro de ellos, los núcleos y los electrones, se mueven e interactúan constantemente.

«Al pensar en los movimientos de las moléculas individuales en una escala cuántica, a menudo existe esta comparación con la forma en que pensamos sobre el sistema solar», dijo Wolynes. «Aprendes que hay ocho planetas en nuestro sistema solar, cada uno con una órbita bien definida. Pero en realidad, las órbitas interactúan entre sí. Sin embargo, las órbitas son muy predecibles. Puedes ir a un planetario y te mostrarte cómo era el cielo hace 2000 años Muchos de los movimientos de los átomos en las moléculas son exactamente regulares o similares a los de un reloj.

Cuando Wolynes y Logan plantearon por primera vez la cuestión de predecir la regularidad o la aleatoriedad del movimiento cuántico, probaron sus matemáticas con las observaciones de los movimientos vibratorios en moléculas individuales.

«Solo necesitas saber dos cosas sobre una molécula para poder analizar sus patrones de movimiento cuántico», dijo Wolynes. “Primero, necesitas conocer las frecuencias vibratorias de tus partículas, es decir, las frecuencias en las que ocurren las vibraciones que son como órbitas, y segundo, cómo estas vibraciones interactúan de manera no lineal entre sí. Estas interacciones anarmónicas dependen principalmente de la masa de los átomos. Para las moléculas orgánicas, se puede predecir la fuerza con la que estas órbitas vibratorias interactuarían entre sí».

Las cosas son más complicadas cuando las moléculas también cambian drásticamente su estructura, por ejemplo, como resultado de una reacción química.

«Tan pronto como comenzamos a observar moléculas que reaccionan químicamente o reorganizan su estructura, sabemos que hay al menos algún elemento de imprevisibilidad o aleatoriedad en el proceso porque, incluso en términos clásicos, la reacción ocurre o no ocurre, —dijo Wolynes—. «Cuando tratamos de entender cómo ocurren los cambios químicos, surge la pregunta: ¿el movimiento general es más parecido a un reloj o es más irregular?».

Además de sus vibraciones continuas, que ocurren sin luz, los electrones pueden tener interacciones a nivel cuántico que a veces conducen a un giro más dramático.

«Debido a que son muy ligeros, los electrones normalmente se mueven miles de veces más rápido que los centros de los átomos, los núcleos», dijo. «Entonces, aunque están en constante movimiento, las órbitas de los electrones se ajustan suavemente a lo que hacen los núcleos. Pero de vez en cuando, los núcleos llegan a un punto en el que las energías de los electrones serán casi iguales, ya sea que la la excitación está en una molécula u otra. Esto se llama cruce de superficie. En ese punto, la excitación tiene la oportunidad de saltar de un nivel electrónico a otro».

Predecir en qué punto la transferencia de energía que ocurre durante la fotosíntesis cambia de movimiento ordenado a aleatoriedad o disipación requeriría una cantidad significativa de tiempo y esfuerzo mediante cálculo directo.

«Es muy bueno que tengamos una fórmula muy simple que determina cuándo sucede esto», dijo Martin Gruebele, químico de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y coautor del estudio que forma parte de la Adaptación de fallas de recursos de Rice-Illinois. Centro de colaboración (CAFF) . «Esto es algo que simplemente no teníamos antes y resolverlo requirió cálculos muy largos».

La teoría de Logan-Wolynes abre una amplia gama de investigaciones científicas, desde la exploración teórica de los fundamentos de la mecánica cuántica hasta aplicaciones prácticas.

«La teoría de Logan-Wolynes funcionó muy bien en términos de decirle aproximadamente qué entrada de energía obtendría con un cambio en el comportamiento del sistema cuántico», dijo Wolynes.

«Pero una de las cosas interesantes que encontraron los cálculos a gran escala realizados por (el coautor Chenghao) Zhang y Gruebele es que existen estas excepciones que se destacan de todos los posibles patrones de órbita que podría tener. Ocasionalmente, hay algunos rezagados donde simple, los movimientos persisten durante mucho tiempo y no parecen ser aleatorios. Una de las preguntas que abordaremos en el futuro es cuánto influye esta regularidad persistente en procesos como la fotosíntesis».

«Otra dirección que se persigue en Rice, donde esta teoría puede ayudar, es el problema de hacer una computadora cuántica que se comporte tanto como sea posible como un reloj», dijo.

«No desea que sus computadoras cambien la información al azar. Cuanto más grande y más sofisticada haga una computadora, más probable es que se encuentre con algún tipo de efecto de aleatorización».

Gruebele y colaboradores en Illinois también planean usar estas ideas en otros contextos científicos. «Uno de nuestros objetivos, por ejemplo, es diseñar mejores moléculas de recolección de luz hechas por el hombre, que podrían consistir en puntos de carbono que pueden transferir la energía a su periferia, donde se puede recolectar», dijo Gruebele.