Melanggar perkiraan Born-Oppenheimer – eksperimen mengungkap fenomena kuantum yang telah lama diteorikan

Sebuah molekul yang mengandung dua atom platina menyerap foton dan mulai bergetar. Getaran tersebut memungkinkan putaran elektron pada molekul berubah, memungkinkan sistem mengubah keadaan elektronik secara bersamaan dalam fenomena yang disebut “penyeberangan antarsistem”. Kredit: Laboratorium Nasional Argonne

Laser ultracepat dan sinar-X telah mengungkap hubungan antara dinamika elektronik dan nuklir dalam molekul.

Hampir seabad yang lalu, fisikawan Max Born dan J. Robert Oppenheimer mengembangkan hipotesis tentang cara kerja mekanika kuantum di dalam molekul. Molekul-molekul ini terdiri dari sistem inti dan elektron yang kompleks. Pendekatan Born-Oppenheimer mengasumsikan bahwa pergerakan inti dan elektron dalam suatu molekul terjadi secara independen dan dapat ditangani secara terpisah.

Model ini hampir selalu berhasil, namun para ilmuwan masih menguji batas kemampuannya. Baru-baru ini, tim ilmuwan menunjukkan runtuhnya asumsi ini dalam skala waktu yang sangat cepat, sehingga mengungkap hubungan erat antara dinamika inti dan elektron. Penemuan ini dapat berdampak pada desain molekul yang berguna untuk konversi energi matahari, produksi energi, ilmu informasi kuantum, dan banyak lagi.

Tim tersebut, yang terdiri dari para ilmuwan dari Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS, Universitas Northwestern, Universitas Negeri Carolina Utara, dan Universitas Washington, baru-baru ini menerbitkan penemuan mereka dalam dua makalah terkait di alam Dan Angewandte Chemie Edisi Internasional.

“Pekerjaan kami mengungkapkan interaksi antara dinamika putaran elektron dan dinamika getaran inti molekul pada skala waktu ultracepat,” kata Shahnawaz Rafique, peneliti di Universitas Harvard. Universitas Barat Laut Penulis pertama adalah Ali alam kertas. “Sifat-sifat ini tidak dapat ditangani secara independen; mereka bercampur dan mempengaruhi dinamika elektronik dengan cara yang kompleks.”

Sebuah fenomena yang disebut efek putaran getaran terjadi ketika perubahan pergerakan inti dalam suatu molekul mempengaruhi pergerakan elektronnya. Ketika inti di dalam suatu molekul bergetar — baik karena energinya sendiri atau karena rangsangan eksternal, seperti cahaya — getaran ini dapat memengaruhi pergerakan elektronnya, yang pada gilirannya dapat mengubah putaran molekul, suatu sifat mekanika kuantum yang terkait dengan daya tarik.

Dalam proses yang disebut pindah silang antar sistem, suatu molekul atau molekul tereksitasi Jagung Ia mengubah keadaan elektroniknya dengan membalikkan arah putaran elektron. Persilangan lintas sistem memainkan peran penting dalam banyak proses kimia, termasuk pada perangkat fotovoltaik, fotokatalisis, dan bahkan hewan bercahaya. Agar penyeberangan ini dapat terjadi, diperlukan kondisi dan perbedaan energi tertentu antara keadaan elektronik yang terlibat.

Sejak tahun 1960-an, para ilmuwan telah berhipotesis bahwa efek putaran-getaran dapat berperan dalam persilangan antar sistem, namun pengamatan langsung terhadap fenomena ini terbukti sulit, karena melibatkan pengukuran perubahan keadaan elektronik, getaran, dan putaran pada tingkat yang sangat tinggi. Garis waktu yang cepat.

“Kami menggunakan pulsa laser ultrapendek—hingga tujuh femtodetik, atau tujuh persejuta per miliar detik—untuk melacak pergerakan inti dan elektron secara real time, menunjukkan bagaimana efek putaran getaran dapat memicu persilangan antar sistem,” kata Lin Chen , seorang rekan Arjun, Profesor Kimia Terhormat di Universitas Northwestern dan salah satu penulis kedua studi tersebut, “Memahami interaksi antara efek putaran getaran dan persimpangan antar sistem dapat mengarah pada cara-cara baru untuk mengontrol dan mengeksploitasi sifat elektronik dan putaran molekul .”

Tim mempelajari empat sistem molekul unik yang dirancang oleh Felix Castellano, seorang profesor di Universitas California Universitas Negeri Carolina Utara Dan rekan penulis kedua studi tersebut. Masing-masing sistem serupa satu sama lain, namun mengandung perbedaan yang terkendali dan diketahui dalam strukturnya. Hal ini memungkinkan tim untuk mengakses efek persilangan yang sedikit berbeda antara sistem dan dinamika getaran untuk mendapatkan gambaran hubungan yang lebih lengkap.

“Perubahan geometris yang kami rancang pada sistem ini menyebabkan titik persilangan antara interaksi keadaan tereksitasi elektronik terjadi pada energi yang sedikit berbeda dan dalam kondisi berbeda,” kata Castellano. “Ini memberikan wawasan dalam penyetelan dan perancangan material untuk meningkatkan penyeberangan ini.”

Efek rotasi getaran dalam molekul, yang disebabkan oleh gerakan getaran, mengubah lanskap energi di dalam molekul, meningkatkan kemungkinan dan laju persilangan antar sistem. Tim juga menemukan keadaan elektronik perantara utama yang merupakan bagian integral dari proses dampak putaran getaran.

Hasilnya diprediksi dan diperkuat oleh perhitungan dinamika kuantum yang dilakukan oleh Xiaosong Li, seorang profesor kimia di Universitas California. Universitas Washington dan rekan laboratorium di Laboratorium Nasional Pacific Northwest Departemen Energi. “Eksperimen ini menunjukkan kimia yang sangat jelas dan indah secara real time yang sesuai dengan harapan kami,” kata Li, yang berpartisipasi dalam penelitian yang dipublikasikan di jurnal Science. Angewandte Chemie Edisi Internasional.

Wawasan mendalam yang diungkapkan oleh eksperimen ini mewakili langkah maju dalam merancang molekul yang dapat memanfaatkan hubungan mekanika kuantum yang kuat ini. Hal ini sangat berguna untuk sel surya, layar elektronik yang lebih baik, dan bahkan perawatan medis yang mengandalkan interaksi antara cahaya dan materi.

Referensi:

“Koherensi Getaran-Getaran Mendorong Konversi Tiga-Tunggal” oleh Shahnawaz Rafiq, Nicholas P. Weingartz, Sarah Cromer, Felix N. Castellano, dan Lin X. Chen, 19 Juli 2023, alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06233-y

“Deteksi jalur keadaan tereksitasi pada permukaan energi potensial dengan resolusi atom waktu nyata” oleh Denis Leshchev, Andrew J. S. Valentine, Byosang Kim, Alexis W. Mills, Subhanji Roy, Arnab Chakraborty, Elsa Pyasen, Christopher Haldrup, dan Darren J. Hsu, Matthew S. Kirchner, Dolev Remmerman, Mathieu Chollet, J. Michael Glonea, Tim B. Van Driel, Felix N. Castellano, Xiaosong Li dan Lin X. Chen, 28 April 2023, Angewandte Chemie Edisi Internasional.
doi: 10.1002/anie.202304615

Kedua penelitian tersebut didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi. itu alam Penelitian ini sebagian didukung oleh National Science Foundation. Eksperimen di Angewandte Chemie Edisi Internasional Mereka dilakukan di Linac Coherent Light Source di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi. Penulis lain di alam Penelitian ini melibatkan Nicholas B. Weingartz dan Sarah Cromer. Penulis lain di makalah yang diterbitkan di Angewandte Chemie Edisi Internasional Termasuk Denis Leschev, Andrew J. S. Valentine, Pyoosang Kim, Alexis W. Mills, Subhanji Roy, Arnab Chakraborty, Elissa Pyasin, Christopher Haldrup, Darren J. Su, Matthew S. Kirchner, Dolev Riemerman, Mathieu Chollet, J. Michael Glonea, dan Tim. B. Van Driel.