로체스터의 연구원들은 완전한 화학적 복잡성을 지닌 용매에서 분자의 양자 일관성이 어떻게 손실되는지 이해하기 위한 전략을 발표했습니다. 결과는 화학적 설계 및 기능화를 통해 양자 일관성을 합리적으로 수정할 수 있는 문을 열어줍니다. 크레딧: Annie Ousteau de Laffont
결과는 맞춤형 양자 일관성 특성을 갖는 분자를 설계하는 데 사용될 수 있으며, 이는 새로운 양자 기술을 위한 화학적 기반을 마련할 수 있습니다.
양자 역학에서 입자는 일상적인 실험의 논리를 무시하면서 동시에 여러 상태로 존재할 수 있습니다. 양자 중첩으로 알려진 이 속성은 컴퓨팅, 통신 및 감지를 변화시킬 새로운 양자 기술의 기초입니다. 그러나 양자 중첩은 양자 불일치라는 주요 과제에 직면해 있습니다. 이 과정에서 주변 환경과 상호 작용할 때 양자 상태의 정확한 중첩이 붕괴됩니다.
양자 결맞음의 도전
실용적인 양자 응용을 위한 복잡한 분자 구조를 구축하는 화학의 힘을 활용하려면 과학자들은 양자 결맞음 특성을 이해하고 제어하여 특정 양자 결맞음 특성을 가진 분자를 설계할 수 있어야 합니다. 그렇게 하려면 분자의 화학 구조를 합리적으로 수정하여 양자 결합을 수정하거나 완화하는 방법을 알아야 합니다. 이를 위해 과학자들은 환경이 얼마나 빨리 움직이고 양자 시스템과 얼마나 강력하게 상호 작용하는지를 요약하는 양인 “스펙트럼 밀도”를 알아야 합니다.
스펙트럼 밀도 측정의 획기적인 발전
지금까지 분자의 복잡성을 정확하게 반영하는 방식으로 이 스펙트럼 밀도를 측정하는 것은 이론적으로나 실험적으로 어려운 것으로 남아 있었습니다. 그러나 과학자 팀은 화학적 환경의 전체 복잡성을 포착하는 방법인 단순 공명 라만 실험을 사용하여 용매 내 분자의 스펙트럼 밀도를 추출하는 방법을 개발했습니다. 로체스터 대학의 화학 및 물리학 부교수인 Ignacio Franco가 이끄는 팀은 연구 결과를 저널에 발표했습니다. 국립과학원(National Academy of Sciences)의 간행물.
분자 구조를 양자 결맞음과 연결
추출된 스펙트럼 밀도를 사용하면 분리가 얼마나 빨리 발생하는지 이해할 수 있을 뿐만 아니라 화학적 환경의 어느 부분이 이러한 분리에 가장 큰 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다. 결과적으로 과학자들은 이제 분자 구조를 양자 결맞음과 연결하기 위해 결맞음 경로를 매핑할 수 있습니다.
“화학은 분자 구조가 물질의 화학적 및 물리적 특성을 결정한다는 생각에서 발생합니다. 이 원리는 의학, 농업 및 에너지 응용 분야를 위한 현대적인 분자 설계의 지침이 됩니다. 이 전략을 사용하여 마침내 우리는 신흥 분야에 대한 화학 설계 원리를 개발하기 시작할 수 있습니다. 양자 기술.
공명 라만 실험: 핵심 도구
이러한 획기적인 발전은 팀이 라만 공명 실험을 통해 완전한 화학적 복잡성을 지닌 분리를 연구하는 데 필요한 모든 정보를 얻었음을 깨달았을 때 이루어졌습니다. 이러한 실험은 광물리학과 광화학을 연구하는 데 일상적으로 사용되지만 양자 결맞음에 대한 유용성은 높이 평가되지 않았습니다. 라만 분광학 전문가이자 로체스터대학교 화학과 부교수인 데이비드 맥캐먼트(David McCamant), 전남대학교 교수이자 라만 분광학 전문가인 김창우와의 논의를 통해 핵심 아이디어가 도출됐다. 그는 로체스터에서 박사 학위를 취득하는 동안 양자 결맞음에 대해 연구했습니다.
사례 연구: 티민 분리
연구팀은 처음으로 건물의 기본 요소 중 하나인 티민의 전자 구성 방법을 보여주기 위해 자신의 방법을 사용했습니다. DNA자외선을 흡수한 후 불과 30펨토초(1펨토초는 100만분의 1초)만에 분해됩니다. 그들은 분자의 일부 진동이 분리 과정의 초기 단계를 지배하는 반면 용매는 후반 단계를 지배한다는 것을 발견했습니다. 또한, 그들은 티민에 대한 화학적 변형이 결합 해제 속도를 극적으로 변화시킬 수 있으며, 티민 고리 근처의 수소 결합 상호 작용으로 인해 결합 해제가 더 빨라질 수 있음을 발견했습니다.
시사점 및 향후 적용
궁극적으로 팀의 연구는 양자 결맞음을 지배하는 화학적 원리를 이해하는 길을 열어줍니다. Franco는 “우리는 이 전략을 사용하여 완전한 화학적 복잡성을 지닌 분자의 양자 결맞음을 이해하고 이를 사용하여 강한 응집 특성을 가진 분자를 개발하게 된 것을 기쁘게 생각합니다.”라고 말했습니다.
참고 자료: Ignacio Justin, 김창우, David W. McCamant 및 Ignacio Franco의 “분자 내 전자 분리 경로 매핑”, 2023년 11월 28일, 국립과학원(National Academy of Sciences)의 간행물.
도이: 10.1073/pnas.2309987120
“경순은 통찰력 있고 사악한 사상가로, 다양한 음악 장르에 깊은 지식을 가지고 있습니다. 힙스터 문화와 자연스럽게 어우러지는 그의 스타일은 독특합니다. 그는 베이컨을 좋아하며, 인터넷 세계에서도 활발한 활동을 보여줍니다. 그의 내성적인 성격은 그의 글에서도 잘 드러납니다.”