منذ ما يقرب من قرن من الزمان، اقترح الفيزيائيان ماكس بورن وج. روبرت أوبنهايمر فرضية حول كيفية عمل ميكانيكا الكم في الجزيئات. تتكون هذه الجزيئات من أنظمة معقدة من النوى الذرية والإلكترونات. يفترض تقريب بورن-أوبنهايمر أن حركات النوى والإلكترونات داخل الجزيء تحدث بشكل مستقل ويمكن معالجتها بشكل منفصل.
ويعمل هذا النموذج في الغالبية العظمى من الحالات، لكن العلماء يختبرون حدوده. ومؤخرًا، أثبت فريق من العلماء أن هذا الافتراض قد تم كسره على مقاييس زمنية سريعة للغاية، وكشف عن العلاقة الحميمة بين ديناميكيات النوى الذرية والإلكترونات. يمكن أن يؤثر هذا الاكتشاف على التصميم الجزيئي في مجالات مثل تحويل الطاقة الشمسية وإنتاج الطاقة وعلوم المعلومات الكمومية والمزيد.
قام فريق البحث، الذي يضم علماء من مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، وجامعة نورث وسترن، وجامعة ولاية كارولينا الشمالية، وجامعة واشنطن، بنشر ورقتين بحثيتين ذات صلة في مجلة Nature and Angewandte Chemie International Edition.
قال شاهناواز رفيق، المؤلف الأول لورقة Nature والباحث المشارك في جامعة نورث وسترن: "يكشف عملنا عن التفاعل بين ديناميكيات دوران الإلكترون وديناميكيات اهتزازات النواة الذرية في الجزيئات على نطاقات زمنية فائقة السرعة". "لا يمكن معالجة هذه الخصائص بشكل مستقل، فهي تمتزج معًا لتؤثر على ديناميكيات الإلكترون بطرق معقدة."
عندما تؤثر التغيرات في حركة النوى داخل الجزيء على حركة الإلكترونات، تحدث ظاهرة تسمى تأثير الاهتزاز الدوراني. عندما تهتز النوى داخل الجزيء بسبب طاقتها الكامنة أو المحفزات الخارجية مثل الضوء، فإن هذه الاهتزازات تؤثر على حركة إلكتروناتها، وبالتالي تغير دوران الجزيء، وهي خاصية ميكانيكية كمية تتعلق بالمغناطيسية.
في عملية تسمى التقاطع بين الأنظمة، يغير الجزيء أو الذرة المثارة حالتها الإلكترونية عن طريق قلب اتجاه دوران الإلكترون الخاص بها. يلعب التقاطع بين الأنظمة دورًا مهمًا في العديد من العمليات الكيميائية، بما في ذلك الأجهزة الكهروضوئية، والتحفيز الضوئي، وحتى الحيوانات ذات الإضاءة الحيوية. لتحقيق هذا التقاطع، هناك حاجة إلى شروط محددة واختلافات في الطاقة بين الحالات الإلكترونية ذات الصلة.
منذ الستينيات، افترض العلماء أن تأثيرات الاهتزاز الدوراني قد تلعب دورًا في التقاطع بين الأنظمة، لكن المراقبة المباشرة لهذه الظاهرة أثبتت أنها صعبة لأنها تتضمن قياس التغيرات في الحالات الإلكترونية والاهتزازية والدورانية على نطاقات زمنية سريعة للغاية.
يقول لين تشين، زميل أرجون المتميز وأستاذ الكيمياء في جامعة نورث وسترن والمؤلف المشارك لكلا الدراستين: "لقد استخدمنا نبضات ليزر فائقة القصر - تصل إلى سبعة فمتوثانية، أو سبعة مليارات من الثانية - لتتبع حركة النوى والإلكترونات في الوقت الفعلي، مما يوضح كيف تؤدي تأثيرات الاهتزاز الدوراني إلى التقاطع بين الأنظمة".
إن فهم التفاعل بين تأثيرات الاهتزاز الدوراني والتقاطع بين الأنظمة قد يجعل من الممكن إيجاد طرق جديدة للتحكم واستغلال الخصائص الإلكترونية وخصائص الدوران للجزيئات.
قام فريق البحث بدراسة أربعة أنظمة جزيئية فريدة صممها فيليكس كاستيلانو، الأستاذ في جامعة ولاية كارولينا الشمالية والمؤلف المشارك لكلتا الدراستين. يشبه كل نظام الأنظمة الأخرى، ولكنه يحتوي على اختلافات معروفة في بنيتها يمكن التحكم فيها. سمح ذلك لفريق البحث باستغلال التأثيرات المتقاطعة المختلفة قليلاً وديناميكيات الاهتزازات بين الأنظمة للحصول على فهم أكثر اكتمالاً للعلاقة بين الاثنين.
وقال كاستيلانو: "إن التغييرات الهندسية التي قمنا بتصميمها في هذه الأنظمة تسببت في تغير نقطة التقاطع بين الحالات المثارة الإلكترونية المتفاعلة بشكل مختلف قليلاً في طاقات وظروف مختلفة. وهذا يوفر آثارًا على ضبط وتصميم المواد لتعزيز هذا التقاطع".
يؤدي تأثير الاهتزاز الدوراني في الجزيئات، الناجم عن الحركة الاهتزازية، إلى تغيير توزيع الطاقة داخل الجزيء ويزيد من احتمالية ومعدل التقاطع بين الأنظمة. اكتشف الفريق أيضًا حالات إلكترونية وسيطة رئيسية لا يمكن فصلها عن تأثير مذبذب الدوران.
تنبأ شياو سونغ لي، أستاذ الكيمياء في جامعة واشنطن والباحث في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني التابع لوزارة الطاقة، بهذه النتائج ودعمها من خلال حسابات ديناميكيات الكم. وقال لي شياو سونغ، أحد مؤلفي الدراسة المنشورة في الطبعة الدولية لمجلة Angewandte Chemie: "أظهرت هذه التجارب تفاعلات كيميائية واضحة وجميلة للغاية في الوقت الفعلي، وهو ما تزامن مع توقعاتنا".
تمثل الأفكار التي كشفت عنها التجارب خطوة إلى الأمام في تصميم الجزيئات باستخدام هذه العلاقة القوية في ميكانيكا الكم. قد يكون هذا مفيدًا بشكل خاص للخلايا الشمسية، وشاشات العرض الإلكترونية الأفضل، وحتى العلاجات الطبية التي تعتمد على التفاعلات بين الضوء والمادة.