O kulisach prowadzonych eksperymentów oraz płynących z nich wnioskach badacze piszą na łamach Nature Chemistry. Dzięki zebranym informacjom powinno udać się doprowadzić do istotnych postępów w kilku różnych kwestiach, takich jak badania nad fotosyntezą, widzeniem czy fotokatalizą.
Czytaj też: Tak wyglądają splątane fotony. Ten symbol przyspieszy komputery kwantowe
Kluczem do sukcesu okazało się coś, co można określić mianem przecięcia stożkowego. Za jego sprawą ograniczane są potencjalne ścieżki, którymi mogą przemieszczać się cząsteczki podczas przechodzenia między różnymi konfiguracjami. Do poznania tajemnic tego zjawiska oraz powiązanych z nim ograniczeń członkowie zespołu badawczego wykorzystali symulator kwantowy.
W takich właśnie okolicznościach udało się dokonać przełomu. Aby jednak zrozumieć, co dokładnie się wydarzyło, warto zacząć od wyjaśnienia, czym jest wspomniane przecięcie stożkowe. Można je porównać do sytuacji, w której dwa szczyty górskie stykają się wierzchołkami. O ile dolna część odnosi się do stanów energetycznych i lokalizacji niewzbudzonej cząsteczki, tak górna przedstawia ją z elektronami wzbudzonymi w wyniku absorpcji energii przez docierające cząsteczki światła. W pewnym momencie atomy cząsteczki powracają do stanu o niższej energii bądź uwalniają jej nadmiar.
Symulator kwantowy został wykorzystany przez naukowców do zrozumienia zjawiska związanego z cząsteczkami pochłaniającymi światło
Co istotne, cząsteczka, elektrony i atomy mogą zajmować wiele stanów jednocześnie, choć tzw. faza geometryczna wprowadza pewne ograniczenia. Jak wyjaśniają autorzy publikacji, gdy cząsteczka ma dwie różne ścieżki prowadzące do uzyskania tego samego kształtu i otaczają one przecięcie stożkowe, to cząsteczka nie będzie w stanie przyjąć tego kształtu. Trudno było zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, ponieważ faza geometryczna jest dziwna nawet z punktu widzenia mechaniki kwantowej.
Chcąc to zmienić, naukowcy wykorzystali komputer kwantowy pozwalający na manipulowanie atomami w próżni za pośrednictwem laserów. Dodatkowe modyfikacje sprawiły, że możliwe stało się popychanie jonów unoszących się w pułapkach elektromagnetycznych. To prowadzi do scenariusza, w którym obserwowane są takie same mechanizmy kwantowe, jak w przypadku ruchu atomów wokół przecięcia stożkowego. Co więcej, dzięki spowolnieniu uwięzionych jonów względem dynamiki cząstek, możliwe stało się prowadzenie bezpośrednich pomiarów fazy geometrycznej.
Czytaj też: Slow motion, jakiego świat jeszcze nie widział. To urządzenie zrobiło coś niesamowitego z reakcją chemiczną
Naukowcy doszli między innymi do wniosku, że niektóre konfiguracje po jednej stronie stożka nie docierają do drugiej – dzieje się tak nawet pomimo braku bariery energetycznej. Eksperyment pokrywa się z dokonaniami zespołu badawczego z Australii, o którym pisaliśmy niedawno w kontekście chemicznego slow motion z wykorzystaniem urządzenia kwantowego.
