Un equipo de la EPFL y la Universidad de Arizona ha descubierto que hacer moléculas más grandes y más flexibles puede en realidad prolongar la vida del flujo de carga cuántica, un hallazgo que podría ayudar a dar forma al futuro de las tecnologías cuánticas y el control químico.
En el emergente campo de la attoquímica, los científicos utilizan pulsos láser para activar y dirigir el movimiento de electrones dentro de las moléculas. Este grado de precisión podría permitirnos algún día diseñar sustancias químicas a medida. La attoquímica también podría permitir el control en tiempo real sobre cómo se rompen o forman los enlaces químicos, lo que conduciría a la creación de fármacos altamente específicos, el desarrollo de nuevos materiales con propiedades personalizadas y la mejora de tecnologías como la captación de energía solar y la computación cuántica.
Pero el mayor obstáculo es la decoherencia : los electrones pierden su «sincronización» cuántica en cuestión de femtosegundos (una millonésima de una milmillonésima de segundo), especialmente cuando la molécula es grande y flexible. Los investigadores han probado diferentes métodos para mantener la coherencia, como átomos pesados, temperaturas de congelación, etc. Dado que la coherencia cuántica desaparece a escalas macroscópicas, la mayoría de los enfoques para mantener la coherencia parten del mismo supuesto: se suponía que las moléculas más grandes y flexibles perdían la coherencia más rápidamente. ¿Y si ese supuesto fuera erróneo?
Para investigar esta cuestión, tres investigadores, Alan Scheidegger y Jiří Vaníček de la EPFL, y Nikolay Golubev de la Universidad de Arizona, estudiaron una serie de moléculas orgánicas simples, cada una con grupos alquino y aldehído terminales separados por una cadena de átomos de carbono. Mediante simulaciones, demostraron que alargar la cadena de carbono ayudaba a los electrones a mantenerse sincronizados durante más tiempo. Este descubrimiento podría ayudar a diseñar moléculas que conserven sus propiedades cuánticas durante más tiempo.
Modelar cada minúsculo movimiento de átomos y electrones habría sido demasiado complejo y computacionalmente imposible. Por ello, los investigadores emplearon un atajo inteligente: trataron los núcleos atómicos (los núcleos pesados de los átomos) como si se movieran según las reglas de la mecánica clásica, como pequeñas bolas de billar, pero considerando su naturaleza cuántica de forma aproximada. A la vez, rastrearon cuidadosamente los electrones más ligeros utilizando las leyes exactas de la mecánica cuántica, capturando plenamente su naturaleza ondulatoria y probabilística. Este enfoque, denominado dinámica semiclásica, les proporcionó una visión detallada de qué vibraciones atómicas específicas perturbaban el frágil estado cuántico y cuáles le permitían perdurar durante más tiempo.
El estudio descubrió que la adición de átomos de carbono ralentiza la decoherencia. En moléculas más grandes, como el pentinal, ciertas vibraciones que normalmente interrumpirían el flujo de electrones se volvieron mucho menos activas o incluso desaparecieron. De hecho, el estudio demostró que solo las vibraciones específicas que preservan la simetría de la molécula tuvieron un impacto significativo en la coherencia. Por el contrario, las vibraciones fuera del plano, que cabría esperar que causaran disrupción, resultaron tener un efecto prácticamente nulo.
Los investigadores también descubrieron que la migración de carga no solo duró más, sino que también se volvió más fácil de observar. Cuando una molécula pierde un electrón, deja un «hueco», una zona de carga positiva que actúa como un electrón faltante. En la molécula más grande estudiada, este agujero migratorio se movió de forma más fluida y predecible a lo largo de la cadena de carbono, con menos interrupciones por vibraciones internas. Este movimiento más claro y estable facilita a los científicos la precisión en el tiempo de las intervenciones, como el uso de un segundo pulso láser para influir en las reacciones químicas. En resumen, aumentar el tamaño de la molécula ayudó a estabilizar la migración de carga en lugar de interrumpirla.
La coherencia cuántica no es solo un fenómeno de laboratorio; es esencial para tecnologías como las computadoras cuánticas, los sensores ultrasensibles y el control químico por láser. El estudio demuestra que, al aumentar el tamaño y la flexibilidad de las moléculas —sin perder su reactividad química—, los científicos pueden extender la coherencia cuántica y estabilizar la migración de carga.
“La migración de carga es actualmente un área de investigación muy activa y es fundamental para el campo emergente de la attoquímica, que se basa en la coherencia electrónica sostenida”, afirma Alan Scheidegger, estudiante de doctorado en la EPFL y autor principal del estudio. “En términos más generales, prolongar los tiempos de coherencia es de gran interés para los investigadores que desarrollan tecnologías cuánticas”.
Fondos
Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) a través del NCCR Ciencia y Tecnología Molecular Ultrarrápida (MUST)
Programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea a través de la subvención ERC Consolidator Grant MOLEQULE
Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE)
Referencias
Alan Scheidegger, Nikolay V. Golubev, Jiří JL Vaníček. ¿Puede el aumento del tamaño y la flexibilidad de una molécula reducir la decoherencia y prolongar la migración de carga? PNAS, 30 de mayo de 2025. DOI: 10.1073/pnas.2501319122
EPFL News. N. P. Traducido al español
