كسر تقريب بورن أوبنهايمر – التجارب تكشف عن ظاهرة كمومية ذات نظرية طويلة

كشفت أشعة الليزر والأشعة السينية فائقة السرعة عن الاقتران بين الديناميكيات الإلكترونية والنووية في الجزيئات.

منذ ما يقرب من قرن من الزمان، طور الفيزيائيان ماكس بورن وجي روبرت أوبنهايمر فرضية حول عمل ميكانيكا الكم داخل الجزيئات. تتكون هذه الجزيئات من أنظمة معقدة من النوى والإلكترونات. يفترض تقريب بورن-أوبنهايمر أن حركات النوى والإلكترونات داخل الجزيء تحدث بشكل مستقل ويمكن معالجتها بشكل منفصل.

يعمل هذا النموذج في الغالبية العظمى من الوقت، لكن العلماء يختبرون حدوده. ومؤخرًا، أثبت فريق من العلماء انهيار هذا الافتراض على مقاييس زمنية سريعة جدًا، وكشف عن وجود علاقة وثيقة بين ديناميكيات النوى والإلكترونات. يمكن أن يؤثر هذا الاكتشاف على تصميم الجزيئات المفيدة لتحويل الطاقة الشمسية وإنتاج الطاقة وعلوم المعلومات الكمومية والمزيد.

قام الفريق، الذي يضم علماء من مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، وجامعة نورث وسترن، وجامعة ولاية كارولينا الشمالية، وجامعة واشنطن، بنشر اكتشافهم مؤخرًا في ورقتين بحثيتين مرتبطتين في طبيعة و Angewandte Chemie الطبعة الدولية.

وقال شاهناواز رفيق، الباحث المشارك في جامعة هارفارد: “يكشف عملنا عن التفاعل بين ديناميكيات دوران الإلكترون وديناميكيات اهتزازات النوى في الجزيئات على نطاقات زمنية فائقة السرعة”. جامعة نورث وسترن والمؤلف الأول على طبيعة ورق. “لا يمكن معالجة هذه الخصائص بشكل مستقل، فهي تمتزج معًا وتؤثر على الديناميكيات الإلكترونية بطرق معقدة.”

تحدث ظاهرة تسمى تأثير الدوران الاهتزازي عندما تؤثر التغيرات في حركة النوى داخل الجزيء على حركة إلكتروناتها. عندما تهتز النوى داخل الجزيء – إما بسبب طاقتها الذاتية أو بسبب محفزات خارجية، مثل الضوء – يمكن أن تؤثر هذه الاهتزازات على حركة إلكتروناتها، والتي يمكن بدورها أن تغير دوران الجزيء، وهي خاصية ميكانيكية كمومية مرتبطة بالمغناطيسية.

في عملية تسمى العبور بين الأنظمة، يتم جزيء أو جزيء متحمس ذرة يغير حالته الإلكترونية عن طريق قلب اتجاه دوران الإلكترون. يلعب العبور بين الأنظمة دورًا مهمًا في العديد من العمليات الكيميائية، بما في ذلك تلك الموجودة في الأجهزة الكهروضوئية، والتحفيز الضوئي، وحتى الحيوانات ذات الإضاءة الحيوية. لكي يكون هذا العبور ممكنًا، فإنه يتطلب شروطًا معينة واختلافات في الطاقة بين الحالات الإلكترونية المعنية.

منذ ستينيات القرن العشرين، افترض العلماء أن التأثير المغزلي الاهتزازي يمكن أن يلعب دورًا في التقاطع بين الأنظمة، لكن المراقبة المباشرة لهذه الظاهرة أثبتت أنها صعبة، لأنها تتضمن قياس التغيرات في الحالات الإلكترونية والاهتزازية والمغزلية على مستويات عالية جدًا. جداول زمنية سريعة.

“لقد استخدمنا نبضات ليزر فائقة القصر – تصل إلى سبعة فمتوثانية، أو سبعة أجزاء من المليون من المليار من الثانية – لتتبع حركة النوى والإلكترونات في الوقت الفعلي، مما أظهر كيف يمكن لتأثير الدوران الاهتزازي أن يؤدي إلى التقاطع بين الأنظمة. قال لين تشين، زميل أرجون المتميز، وأستاذ الكيمياء في جامعة نورث وسترن والمؤلف المشارك في كلتا الدراستين. “إن فهم التفاعل بين تأثير الدوران الاهتزازي والتقاطع بين الأنظمة يمكن أن يؤدي إلى طرق جديدة للتحكم واستغلال الخصائص الإلكترونية وخصائص الدوران للجزيئات.”

قام الفريق بدراسة أربعة أنظمة جزيئية فريدة من نوعها صممها فيليكس كاستيلانو، الأستاذ في جامعة كاليفورنيا جامعة ولاية نورث كارولينا والمؤلف المشارك في كلتا الدراستين. ويشبه كل نظام الآخر، إلا أنهما يحتويان على اختلافات محكومة ومعروفة في بنيتهما. سمح ذلك للفريق بالوصول إلى تأثيرات تقاطع مختلفة قليلاً بين الأنظمة وديناميكيات اهتزازية للحصول على صورة أكمل للعلاقة.

قال كاستيلانو: “إن التغييرات الهندسية التي صممناها في هذه الأنظمة تسببت في حدوث نقاط العبور بين الحالات المثارة الإلكترونية المتفاعلة عند طاقات مختلفة قليلاً وتحت ظروف مختلفة”. “وهذا يوفر نظرة ثاقبة لضبط وتصميم المواد لتعزيز هذا المعبر.”

أدى تأثير الدوران الاهتزازي في الجزيئات، الناجم عن الحركة الاهتزازية، إلى تغيير مشهد الطاقة داخل الجزيئات، مما يزيد من احتمالية ومعدل التقاطع بين الأنظمة. اكتشف الفريق أيضًا حالات إلكترونية وسيطة رئيسية كانت جزءًا لا يتجزأ من عملية تأثير الدوران الاهتزازي.

تم التنبؤ بالنتائج وتعزيزها من خلال حسابات ديناميكيات الكم التي أجراها شياو سونغ لي، أستاذ الكيمياء في جامعة كاليفورنيا. جامعة واشنطن وزميل مختبر في المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ التابع لوزارة الطاقة. وقال لي، الذي شارك في الدراسة التي نشرت في دورية “هذه التجارب أظهرت كيمياء واضحة وجميلة للغاية في الوقت الحقيقي والتي تتوافق مع توقعاتنا”. Angewandte Chemie الطبعة الدولية.

تمثل الأفكار العميقة التي كشفت عنها التجارب خطوة إلى الأمام في تصميم الجزيئات التي يمكنها الاستفادة من هذه العلاقة الميكانيكية الكمومية القوية. يمكن أن يكون هذا مفيدًا بشكل خاص للخلايا الشمسية، وشاشات العرض الإلكترونية الأفضل، وحتى العلاجات الطبية التي تعتمد على التفاعلات بين الضوء والمادة.

مراجع:

“التماسك الدوراني-الاهتزازي يدفع التحويل الفردي-الثلاثي” بقلم شاهناواز رفيق، ونيكولاس بي. وينجارتز، وسارة كرومر، وفيليكس إن. كاستيلانو، ولين إكس. تشين، 19 يوليو 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06233-ذ

“الكشف عن مسارات الحالة المثيرة على أسطح الطاقة المحتملة مع الدقة الذرية في الوقت الفعلي” بقلم دينيس ليششيف، وأندرو جي إس فالنتين، وبيوسانج كيم، وأليكسيس دبليو ميلز، وسوبهانجي روي، وأرناب تشاكرابورتي، وإليسا بياسين، وكريستوفر هالدروب، ودارين ج. هسو، ماثيو إس. كيرشنر، دوليف ريمرمان، ماتيو تشوليه، جيه. مايكل جلونيا، تيم بي. فان دريل، فيليكس إن. كاستيلانو، شياو سونغ لي، ولين إكس. تشين، 28 أبريل 2023، Angewandte Chemie الطبعة الدولية.
دوى: 10.1002/anie.202304615

تم دعم كلتا الدراستين من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة. ال طبيعة تم دعم الدراسة جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم. تجارب في Angewandte Chemie الطبعة الدولية تم إجراؤها في مصدر الضوء Linac Coherent Light Source في مختبر المسرع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة. مؤلفون آخرون على طبيعة تشمل الدراسة نيكولاس ب. وينجارتز وسارة كرومر. المؤلفون الآخرون على الورقة المنشورة في Angewandte Chemie الطبعة الدولية تشمل دينيس ليششيف، وأندرو جيه إس فالنتاين، وبيوسانج كيم، وأليكسيس دبليو ميلز، وسوبهانجي روي، وأرناب تشاكرابورتي، وإليسا بياسين، وكريستوفر هالدروب، ودارين جيه سو، وماثيو إس كيرشنر، ودوليف ريمرمان، وماتيو تشوليت، وجي مايكل جلونيا، وتيم. ب. فان دريل.