حقق الباحثون في جامعة رايس تقدمًا ملموسًا في محاكاة نقل الإلكترون الجزيئي – وهي عملية أساسية تدعم عددًا لا يحصى من العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. توضح الدراسة، التي نُشرت في Science Advances، بالتفصيل استخدام جهاز محاكاة كمي للأيونات المحاصرة لنمذجة ديناميكيات نقل الإلكترون مع قابلية ضبط غير مسبوقة، مما يفتح فرصًا جديدة للاستكشاف العلمي في مجالات تتراوح من الإلكترونيات الجزيئية إلى التمثيل الضوئي.
لقد شكل نقل الإلكترون، وهو أمر بالغ الأهمية لعمليات مثل التنفس الخلوي وحصاد الطاقة في النباتات، تحديات طويلة للعلماء بسبب التفاعلات الكمية المعقدة المعنية. غالبًا ما تعجز التقنيات الحسابية الحالية عن التقاط النطاق الكامل لهذه العمليات. قام الفريق متعدد التخصصات في رايس، بما في ذلك الفيزيائيون والكيميائيون وعلماء الأحياء، بمعالجة هذه التحديات من خلال إنشاء نظام كمي قابل للبرمجة قادر على التحكم بشكل مستقل في العوامل الرئيسية في نقل الإلكترون: فجوات الطاقة بين المانحين والمتقبلين، والوصلات الإلكترونية والاهتزازية، والتبديد البيئي.
باستخدام بلورة أيونية محاصرة في نظام فراغ ويتم التحكم فيها بواسطة ضوء الليزر، أظهر الباحثون القدرة على محاكاة ديناميكيات الدوران في الوقت الحقيقي وقياس معدلات النقل عبر مجموعة من الظروف. لا تؤكد النتائج صحة النظريات الرئيسية لميكانيكا الكم فحسب، بل تمهد الطريق أيضًا لرؤى جديدة حول أنظمة حصاد الضوء والأجهزة الجزيئية.
قال الباحث الرئيسي غيدو باجانو، الأستاذ المساعد في الفيزياء وعلم الفلك: “هذه هي المرة الأولى التي تتم فيها محاكاة هذا النوع من النماذج على جهاز مادي مع تضمين دور البيئة وحتى تصميمها بطريقة يمكن التحكم فيها”. “إنه يمثل قفزة كبيرة إلى الأمام في قدرتنا على استخدام أجهزة المحاكاة الكمومية لدراسة النماذج والأنظمة ذات الصلة بالكيمياء والبيولوجيا. الأمل هو أنه من خلال تسخير قوة المحاكاة الكمومية، سنكون قادرين في النهاية على استكشاف السيناريوهات الحالية لا يمكن الوصول إليه بالطرق الحسابية الكلاسيكية.”
حقق الفريق إنجازًا هامًا من خلال تكرار نموذج قياسي لنقل الإلكترون الجزيئي بنجاح باستخدام منصة كمومية قابلة للبرمجة. من خلال الهندسة الدقيقة للتبديد القابل للضبط، اكتشف الباحثون كلاً من أنظمة نقل الإلكترون الأدياباتي وغير الأديابي، موضحين كيف تعمل هذه التأثيرات الكمومية في ظل ظروف مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، حددت عمليات المحاكاة التي أجروها الظروف المثالية لنقل الإلكترون، والتي توازي آليات نقل الطاقة التي لوحظت في أنظمة التمثيل الضوئي الطبيعية.
“عملنا مدفوع بالسؤال: هل يمكن استخدام الأجهزة الكمومية لمحاكاة الديناميكيات الكيميائية بشكل مباشر؟” قال باجانو. “على وجه التحديد، هل يمكننا دمج التأثيرات البيئية في عمليات المحاكاة هذه لأنها تلعب دورًا حاسمًا في العمليات الأساسية للحياة مثل التمثيل الضوئي ونقل الإلكترون في الجزيئات الحيوية؟ إن معالجة هذا السؤال أمر مهم لأن القدرة على محاكاة نقل الإلكترون بشكل مباشر في الجزيئات الحيوية يمكن أن توفر رؤى قيمة. لتصميم مواد جديدة لحصاد الضوء.”
إن الآثار المترتبة على التطبيقات العملية بعيدة المدى. إن فهم عمليات نقل الإلكترون على هذا المستوى يمكن أن يؤدي إلى اختراقات في تقنيات الطاقة المتجددة، والإلكترونيات الجزيئية، وحتى تطوير مواد جديدة للحوسبة الكمومية.