Le développement pourrait déclencher des avancées dans les systèmes informatiques, électrochimiques et biologiques

La théorie développée par le théoricien de Rice Peter Wolynes et le chimiste théoricien d’Oxford David Logan donne une prédiction simple du seuil auquel les grands systèmes quantiques passent d’un mouvement ordonné comme une horloge à un mouvement aléatoire et erratique comme les astéroïdes se déplaçant dans le système solaire primitif. À l’aide d’une analyse informatique d’un modèle de photosynthèse, des collaborateurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont montré que la théorie peut prédire la nature des mouvements d’une molécule de chlorophylle lorsqu’elle absorbe l’énergie de la lumière solaire.

La théorie s’applique à tout système quantique suffisamment complexe et peut donner un aperçu de la construction de meilleurs ordinateurs quantiques. Cela pourrait également, par exemple, aider à concevoir les caractéristiques des cellules solaires de nouvelle génération ou peut-être prolonger la durée de vie des batteries.

L’étude est publiée cette semaine dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

Rien n’est jamais complètement immobile au niveau moléculaire, en particulier lorsque la physique quantique joue un rôle. Une goutte d’eau qui brille sur une feuille peut sembler immobile, mais à l’intérieur, plus d’un sextillion de molécules vibrent sans arrêt. Les atomes d’hydrogène et d’oxygène et les particules subatomiques qu’ils contiennent — les noyaux et les électrons — se déplacent et interagissent constamment.

“En pensant aux mouvements de molécules individuelles à l’échelle quantique, il y a souvent cette comparaison avec la façon dont nous pensons au système solaire”, a déclaré Wolynes. “Vous apprenez qu’il y a huit planètes dans notre système solaire, chacune avec une orbite bien définie. Mais en fait, les orbites interagissent les unes avec les autres. Néanmoins, les orbites sont très prévisibles. Vous pouvez aller dans un planétarium, et elles Je vais vous montrer à quoi ressemblait le ciel il y a 2 000 ans. Beaucoup de mouvements des atomes dans les molécules sont exactement aussi réguliers ou semblables à une horloge.

Lorsque Wolynes et Logan ont posé pour la première fois la question de la prédiction de la régularité ou du caractère aléatoire du mouvement quantique, ils ont testé leurs calculs par rapport aux observations de mouvements vibrationnels dans des molécules individuelles.

“Vous n’avez qu’à connaître deux choses sur une molécule pour pouvoir analyser ses modèles de mouvement quantique”, a déclaré Wolynes. “D’abord, vous devez connaître les fréquences vibrationnelles de ses particules, c’est-à-dire les fréquences auxquelles se produisent les vibrations qui sont comme les orbites, et, deuxièmement, comment ces vibrations interagissent de manière non linéaire les unes avec les autres. Ces interactions anharmoniques dépendent principalement de la masse d’atomes. Pour les molécules organiques, vous pouvez prédire à quel point ces orbites vibratoires interagiraient les unes avec les autres.”

Les choses se compliquent lorsque les molécules changent également radicalement de structure, par exemple à la suite d’une réaction chimique.

“Dès que nous commençons à regarder des molécules qui réagissent chimiquement ou réarrangent leur structure, nous savons qu’il y a au moins un élément d’imprévisibilité ou d’aléatoire dans le processus parce que, même en termes classiques, la réaction se produit ou ne se produit pas. “, a déclaré Wolynes. “Lorsque nous essayons de comprendre comment les changements chimiques se produisent, il y a cette question : le mouvement global ressemble-t-il davantage à une horloge ou est-il plus irrégulier ?”

Outre leurs vibrations ininterrompues, qui se produisent sans lumière, les électrons peuvent avoir des interactions de niveau quantique qui conduisent parfois à une tournure plus dramatique.

“Parce qu’ils sont très légers, les électrons se déplacent normalement des milliers de fois plus vite que les centres des atomes, les noyaux”, a-t-il déclaré. “Donc, bien qu’ils soient constamment en mouvement, les orbites des électrons s’ajustent en douceur à ce que font les noyaux. Mais de temps en temps, les noyaux arrivent à un endroit où les énergies électroniques seront presque égales, que l’excitation soit sur une molécule ou sur la C’est ce qu’on appelle une traversée de surface. À ce moment-là, l’excitation a une chance de sauter d’un niveau électronique à un autre.

Prédire à quel point le transfert d’énergie qui a lieu pendant la photosynthèse passe d’un mouvement ordonné à un caractère aléatoire ou à une dissipation prendrait beaucoup de temps et d’efforts par calcul direct.

“C’est très bien que nous ayons une formule très simple qui détermine quand cela se produit”, a déclaré Martin Gruebele, chimiste à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign et co-auteur de l’étude qui fait partie de l’étude conjointe Rice-Illinois. Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) financé par la National Science Foundation. “C’est quelque chose que nous n’avions tout simplement pas auparavant et le comprendre a nécessité de très longs calculs.”

La théorie de Logan-Wolynes ouvre un large éventail de recherches scientifiques allant de l’exploration théorique des principes fondamentaux de la mécanique quantique aux applications pratiques.

“La théorie de Logan-Wolynes a plutôt bien fonctionné en vous indiquant à peu près à quel apport d’énergie vous obtiendriez un changement dans le comportement du système quantique”, a déclaré Wolynes. “Mais l’une des choses intéressantes que les calculs à grande échelle de (co-auteur Chenghao) Zhang et Gruebele ont trouvé est qu’il y a ces exceptions qui se démarquent de tous les modèles d’orbite possibles que vous pourriez avoir. Parfois, il y a quelques retardataires où simple les mouvements persistent pendant de longues périodes et ne semblent pas devenir aléatoires. L’une des questions que nous allons aborder à l’avenir est de savoir dans quelle mesure cette régularité persistante influence réellement des processus comme la photosynthèse.

“Une autre direction poursuivie par Rice où cette théorie peut aider est le problème de la fabrication d’un ordinateur quantique qui se comporte autant que possible de manière synchrone”, a-t-il déclaré. “Vous ne voulez pas que vos ordinateurs changent d’informations au hasard. Plus vous construisez un ordinateur grand et sophistiqué, plus il est probable que vous rencontrerez une sorte d’effets de randomisation.”

Gruebele et ses collaborateurs de l’Illinois prévoient également d’utiliser ces idées dans d’autres contextes scientifiques. “L’un de nos objectifs, par exemple, est de concevoir de meilleures molécules de collecte de lumière construites par l’homme, qui pourraient consister en des points de carbone capables de transférer l’énergie à leur périphérie où elle peut être récoltée”, a déclaré Gruebele.

Wolynes est professeur de sciences de la Fondation Bullard-Welch de Rice et professeur de chimie, de biochimie et de biologie cellulaire, de physique et d’astronomie et de science des matériaux et de nano-ingénierie et codirecteur de son Centre de physique biologique théorique (CTBP), qui est financé par la Fondation nationale des sciences. Logan est professeur Coulson de chimie théorique à Oxford. Gruebele est titulaire de la chaire de chimie James R. Eiszner et Zhang est étudiant diplômé en physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

La chaire James R. Eiszner en chimie et le département de physique de l’Illinois, la chaire Bullard-Welch de Rice (C-0016) et la National Science Foundation (PHY-2019745) ont soutenu la recherche.