دانشمندان واکنشی شیمیایی را ۱۰۰ میلیارد بار کُند کردند تا ببینند چه اتفاقی می‌افتد

مدت‌ها است دانشمندان درمورد برهم‌کنشی که به «تقاطع‌ مخروطی» معروف است، می‌دانند اما این برهم‌کنش معمولاً چند فمتوثانیه بیشتر طول نمی‌کشد. درواقع، دانشمندان از دهه ۱۹۵۰ در تلاش بوده‌اند تا چنین فرایندهای هندسی را در دینامیک شیمیایی مشاهده کنند، اما با توجه به سرعت بسیار بالای این برهم‌کنش‌ها مشاهده مستقیم آن‌ها امکان‌پذیر نبوده است.

به گزارش ساینس‌آلرت، گروهی از پژوهشگران دانشگاه سیدنی و دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو واکنش را با استفاده از ذره باردار به دام افتاده در میدان الکتریکی تحت نظارت قرار دادند که به آن‌ها اجازه داد نسخه‌ای از فرایند را دنبال کنند که بسیار کندتر انجام می‌شد. پژوهشگران می‌گویند با استفاده از کامپیوتر کوانتومی خود سیستمی ساخته‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد دینامیک شیمیایی را از فمتوثانیه به میلی‌ثانیه کاهش دهند.

تقاطع‌های مخروطی انتقال سریع انرژی بین سطوح انرژی پتانسیل درون مولکول‌ها را توصیف می‌کنند. آن‌ها با استفاده از زبان و ریاضیات فیزیک کوانتومی شامل میدان‌های دارای همپوشانی و تغییر امواج رفتار ذرات به بهترین نحو توصیف می‌شوند.

ازنظر شیمیایی، واکنش‌های کوانتومی، واکنش‌های مبتنی‌بر نور را در تمام سناریوها از فتوسنتز گرفته تا واکنش‌هایی که درون چشم انسان اتفاق می‌افتد، هدایت می‌کنند.

آنچه پژوهش حاضر را امکان‌پذیر کرد، این بود که دانشمندان توانستند با استفاده از «کامپیوتر کوانتومی تله یون» تغییر حالت الکترون را دنبال کنند. در این سیستم، ذرات کوانتومی در میدان‌های الکتریکی به دام انداخته و سپس با استفاده از لیزر دستکاری شدند. وقتی این فرایند پیچیده انجام شد، پژوهشگران موفق شدند سرعت واکنش را به شدت کاهش دهند. دانشمندان این امر را با مشاهدات آیرودینامیک روی بال هواپیما در تونل باد مقایسه می‌کنند.

کریستف والاهو یکی از نویسندگان مقاله، از دانشکده فیزیک دانشگاه سیدنی می‌گوید: «آزمایش ما تقریب دیجیتالی از فرایند نبود، بلکه مشاهده مستقیم آنالوگی از دینامیک کوانتومی بود که با سرعتی که می‌توانستیم آن را مشاهده کنیم، به وقوع می‌پیوست.»

از آن‌جا که تقاطع‌های مخروطی در فتوشیمی بسیار رایج است، پژوهش جدید در زمینه‌های تحقیقاتی فراوانی مفید خواهد بود. این دستاورد نشان می‌دهد چگونه با همکاری پژوهشگرانی که در حوزه‌های مختلف علم کار می‌کنند، می‌توان به بینش‌های جدیدی دست پیدا کرد.

به‌طورکلی، کامپیوترهای کوانتومی درزمینه‌ی شبیه‌سازی انواع واکنش‌ها و برهم‌کنش‌ها بسیار امیدوارکننده ظاهر شده‌اند. درک بهتر کوچک‌ترین و سریع‌ترین رویدادها به این معنا است که ایده بهتری درمورد نحوه استفاده از آن‌ها خواهیم داشت.

با درک فرایندهای بنیادین درون و بین مولکول‌هاست که می‌توانیم در حوزه‌های علم مواد، طراحی دارو یا برداشت انرژی خورشیدی به دستاوردهای جدیدی برسیم. این پیشرفت همچنین می‌تواند به درک بهتر فرایندهای دیگری مانند ایجاد مه‌دود یا آسیب دیدن لایه اوزون که متکی‌بر تعامل میان مولکول‌ها و نور هستند، کمک کند.

این پژوهش در مجله‌ی Nature Chemistry منتشر شده است.