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Não é fácil entender o movimento em escala quântica, mas uma nova teoria matemática desenvolvida por cientistas da Rice University e da Oxford University pode ajudar – e pode fornecer informações sobre como melhorar uma variedade de sistemas de computação, eletroquímicos e biológicos.
A teoria desenvolvida pelo teórico de Rice, Peter Wolynes, e pelo químico teórico de Oxford, David Logan, fornece uma previsão simples para o limiar no qual grandes sistemas quânticos mudam de movimento ordenado como um relógio para movimento aleatório e errático como asteroides se movendo no início do sistema solar. Usando uma análise computacional de um modelo de fotossíntese, colaboradores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign mostraram que a teoria pode prever a natureza dos movimentos em uma molécula de clorofila quando absorve energia da luz solar.
A teoria se aplica a qualquer sistema quântico suficientemente complexo e pode fornecer informações sobre como construir computadores quânticos melhores. Também poderia, por exemplo, ajudar a projetar recursos de células solares de próxima geração ou talvez fazer com que as baterias durem mais.
O estudo foi publicado esta semana no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Nada está completamente parado no nível molecular, especialmente quando a física quântica desempenha um papel. Uma gota de água brilhando em uma folha pode parecer imóvel, mas por dentro, mais de um sextilhão de moléculas vibram sem parar. Os átomos de hidrogênio e oxigênio e as partículas subatômicas dentro deles – os núcleos e os elétrons – movem-se e interagem constantemente.
“Ao pensar nos movimentos de moléculas individuais em escala quântica, muitas vezes há essa comparação com a maneira como pensamos no sistema solar”, disse Wolynes. “Você aprende que existem oito planetas em nosso sistema solar, cada um com uma órbita bem definida. Mas, na verdade, as órbitas interagem entre si. No entanto, as órbitas são muito previsíveis. Você pode ir a um planetário, e eles Vou mostrar a você como era o céu há 2.000 anos. Muitos dos movimentos dos átomos nas moléculas são exatamente regulares ou parecidos com relógios.
Quando Wolynes e Logan colocaram pela primeira vez a questão de prever a regularidade ou aleatoriedade do movimento quântico, eles testaram sua matemática contra observações de movimentos vibracionais em moléculas individuais.
“Você só precisa saber duas coisas sobre uma molécula para poder analisar seus padrões de movimento quântico”, disse Wolynes. “Primeiro, você precisa conhecer as frequências vibracionais de suas partículas, ou seja, as frequências nas quais ocorrem as vibrações que são como as órbitas e, segundo, como essas vibrações interagem de forma não linear umas com as outras. Essas interações anarmônicas dependem principalmente do massa de átomos. Para moléculas orgânicas, você pode prever quão fortemente essas órbitas vibracionais interagiriam umas com as outras.”
As coisas são mais complicadas quando as moléculas também mudam dramaticamente de estrutura, por exemplo, como resultado de uma reação química.
“Assim que começamos a olhar para moléculas que reagem quimicamente ou reorganizam sua estrutura, sabemos que há pelo menos algum elemento de imprevisibilidade ou aleatoriedade no processo porque, mesmo em termos clássicos, a reação acontece ou não acontece. “, disse Wolynes. “Quando tentamos entender como ocorrem as mudanças químicas, surge a seguinte questão: o movimento geral é mais parecido com um relógio ou é mais irregular?”
Além de suas vibrações ininterruptas, que acontecem sem luz, os elétrons podem ter interações de nível quântico que às vezes levam a uma virada mais dramática.
“Por serem muito leves, os elétrons normalmente se movem milhares de vezes mais rápido que os centros dos átomos, os núcleos”, disse ele. “Portanto, embora estejam em constante movimento, as órbitas dos elétrons se ajustam suavemente ao que os núcleos fazem. Mas, de vez em quando, os núcleos chegam a um ponto em que as energias eletrônicas serão quase iguais, quer a excitação seja em uma molécula ou na outro. Isso é chamado de cruzamento de superfície. Nesse ponto, a excitação tem a chance de pular de um nível eletrônico para outro.”
Prever em que ponto a transferência de energia que ocorre durante a fotossíntese muda de movimento ordenado para aleatoriedade ou dissipação levaria uma quantidade significativa de tempo e esforço por computação direta.
“É muito bom termos uma fórmula muito simples que determina quando isso acontece”, disse Martin Gruebele, químico da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e coautor do estudo que faz parte da parceria Rice-Illinois Center for Adapting Flaws into Features (CAFF) financiado pela National Science Foundation. “Isso é algo que simplesmente não tínhamos antes e descobrir isso exigia cálculos muito longos.”
A teoria de Logan-Wolynes abre uma ampla gama de investigações científicas, desde a exploração teórica dos fundamentos da mecânica quântica até aplicações práticas.
“A teoria de Logan-Wolynes funcionou muito bem em termos de dizer a você aproximadamente qual entrada de energia você obteria uma mudança no comportamento do sistema quântico”, disse Wolynes. “Mas uma das coisas interessantes que os cálculos em larga escala de (co-autor Chenghao) Zhang e Gruebele descobriram é que existem essas exceções que se destacam de todos os possíveis padrões de órbita que você pode ter. Ocasionalmente, há alguns retardatários onde simples os movimentos persistem por muito tempo e não parecem ser aleatórios.Uma das questões que vamos abordar no futuro é o quanto essa regularidade persistente está realmente influenciando processos como a fotossíntese.
“Outra direção que está sendo perseguida em Rice, onde essa teoria pode ajudar, é o problema de fazer um computador quântico que se comporte tanto quanto possível como um relógio”, disse ele. “Você não quer que seus computadores alterem informações aleatoriamente. Quanto maior e mais sofisticado você fizer um computador, mais provável será que você se depare com algum tipo de efeito de randomização.”
Gruebele e colaboradores em Illinois também planejam usar essas ideias em outros contextos científicos. “Um de nossos objetivos, por exemplo, é projetar melhores moléculas coletoras de luz construídas pelo homem, que podem consistir em pontos de carbono que podem transferir a energia para sua periferia, onde ela pode ser coletada”, disse Gruebele.
Wolynes é professor de Ciências da Fundação Bullard-Welch de Rice e professor de química, bioquímica e biologia celular, física e astronomia e de ciência de materiais e nanoengenharia e codiretor de seu Centro de Física Biológica Teórica (CTBP), que é financiado pela National Science Foundation. Logan é o Professor Coulson de Química Teórica em Oxford. Gruebele é o James R. Eiszner Endowed Chair em Química e Zhang é um estudante de pós-graduação em física na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
A James R. Eiszner Chair em Química e o Departamento de Física em Illinois, a Bullard-Welch Chair em Rice (C-0016) e a National Science Foundation (PHY-2019745) apoiaram a pesquisa.
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