Voor het eerst zijn wetenschappers erin geslaagd om een cruciaal onderdeel van chemische reacties direct te observeren. Met behulp van een kwantumcomputer hebben ze dit moleculaire proces 100 miljard keer kunnen vertragen.
Iets wat in de natuur en overal om ons heen normaal gesproken in femtoseconden (een biljardste van een seconde) gebeurt, kan nu in het lab in milliseconden worden bekeken. “We willen meer begrijpen van de basale processen die binnenin en tussen moleculen onderling plaatsvinden. Op deze manier ontstaan allerlei nieuwe mogelijkheden voor vakgebieden als materiaalkunde, het ontwerpen van nieuwe medicijnen en het benutten van zonne-energie”, legt hoofdonderzoeker Vanessa Olaya Agudelo uit, wier baanbrekende studie in Nature verscheen. “Het kan ook zijn dat het ons helpt om andere processen te doorgronden waarbij moleculen reageren op licht, bijvoorbeeld de manier waarop smog ontstaat of hoe de ozonlaag wordt aangetast.”
Conische intersectie
Het lukte de wetenschappers van de University of Sydney om een specifiek soort interferentiepatroon van een enkele atoom te aanschouwen en vast te leggen. Dit patroon ontstaat door een veelvoorkomende geometrische scheikundige structuur die een ‘conische intersectie’ genoemd wordt. Conische intersecties komen overal in de scheikunde voor en zijn een cruciaal onderdeel van fotochemische processen, zoals het opnemen van licht door onze ogen en de fotosynthese, waarbij planten, algen en bacteriën energie uit zonlicht gebruiken om koolstofdioxide om te zetten in glucose en zuurstof. Scheikundigen proberen al sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw om de dynamiek van chemische reacties direct te observeren, maar dit is tot nog toe niet gelukt vanwege de extreem korte tijdspanne waarin dit zich voltrekt.
Kwantumcomputer
Om dit probleem op te lossen, hebben de Australische kwantumwetenschappers een experiment opgezet waarbij ze een ’trapped ion’-kwantumcomputer op een heel nieuwe manier gebruiken. Hierdoor lukte het hen om dit enorm ingewikkelde probleem met een relatief klein kwantumapparaat in kaart te brengen, waarna ze het proces met een factor 100 miljard konden vertragen.
Analoge observaties en metingen
“In de natuur voltrekt dit hele proces zich binnen enkele femtoseconden”, legt Olaya Agudelo uit. “Met behulp van onze kwantumcomputer bouwden we een systeem waarmee we de dynamiek van de chemische reacties van femtoseconden naar milliseconden hebben vertraagd. Hierdoor is het ons gelukt om belangrijke observaties en metingen uit te voeren. Dit is nog nooit eerder gedaan.”
Dynamiek van de geometrische fase
Natuurkundige Christophe Valahu is al even enthousiast. “Het is tot nu toe nog nooit gelukt om de dynamiek van de ‘geometrische fase’ direct te observeren. Het proces is simpelweg te snel om experimenteel vast te leggen. Maar met de hulp van kwantumtechnologie hebben we dit probleem op kunnen lossen.” Hij vergelijkt de techniek met het simuleren van luchtpatronen die rondom een vliegtuigvleugel bewegen in een windtunnel. “Ons experiment is geen digitale benadering van het proces. Dit is een directe analoge observatie van de kwantumdynamiek die ontstaat tijdens het proces, op een snelheid waarbij we het kunnen observeren en analyseren”, aldus Valahu.
Moleculaire energie-overdracht
Bij fotochemische reacties zoals fotosynthese, waarbij een plant gebruikmaakt van de energie van de zon, is er een moleculaire energie-overdracht met de snelheid van het licht. Hierbij worden gebieden van uitwisseling gevormd die we conische intersecties noemen. In de studie is deze dynamiek enorm vertraagd in de kwantumcomputer en zijn de karakteristieke kenmerken van de fotochemie die door theoretische scheikundigen zijn voorspeld eindelijk in de praktijk waargenomen. “Dit is een geweldig resultaat. Het zal ons zeker helpen om de ultrasnelle dynamiek van chemische reacties – de manier waarop moleculen veranderen op de kleinste tijdschalen – beter te begrijpen”, vertelt onderzoeker Ivan Kassal. “Het is fantastisch dat we op de University of Sydney de beschikking hebben over de best programmeerbare kwantumcomputer van heel Australië. We gaan dan ook zeker door met onderzoek naar deze fenomenen.”
Wat ook bijzonder is aan de ontdekking, is de samenwerking tussen theoretici en experimentele wetenschappers. “Dit is een prachtige samenwerking tussen scheikundige theoretici en experimentele kwantumnatuurkundigen. We hebben een nieuwe natuurkundige aanpak ingezet om een oud scheikundig probleem op te lossen. En dat is geweldig”, besluit onderzoeker Ting Rei Tan.
