शोधकर्ताओं ने आणविक इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के क्वांटम सिमुलेशन के साथ ‘महत्वपूर्ण छलांग’ लगाई है

पौधों में सेलुलर श्वसन और ऊर्जा संचयन जैसी प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण, जटिल क्वांटम इंटरैक्शन के कारण वैज्ञानिकों के लिए लंबे समय से चुनौतियां खड़ी करता रहा है। वर्तमान कम्प्यूटेशनल तकनीकें अक्सर इन प्रक्रियाओं के पूर्ण दायरे को पकड़ने में विफल रहती हैं। भौतिकविदों, रसायनज्ञों और जीवविज्ञानियों सहित राइस की बहु-विषयक टीम ने इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण में प्रमुख कारकों को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने में सक्षम एक प्रोग्रामयोग्य क्वांटम प्रणाली बनाकर इन चुनौतियों का समाधान किया: दाता-स्वीकर्ता ऊर्जा अंतराल, इलेक्ट्रॉनिक और वाइब्रोनिक कपलिंग और पर्यावरणीय अपव्यय।

एक निर्वात प्रणाली में फंसे और लेजर प्रकाश द्वारा संचालित आयन क्रिस्टल का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने वास्तविक समय स्पिन गतिशीलता का अनुकरण करने और कई स्थितियों में स्थानांतरण दरों को मापने की क्षमता का प्रदर्शन किया। निष्कर्ष न केवल क्वांटम यांत्रिकी के प्रमुख सिद्धांतों को मान्य करते हैं बल्कि प्रकाश-संचयन प्रणालियों और आणविक उपकरणों में नवीन अंतर्दृष्टि का मार्ग भी प्रशस्त करते हैं।

भौतिकी और खगोल विज्ञान के सहायक प्रोफेसर, प्रमुख शोधकर्ता गुइडो पैगानो ने कहा, “यह पहली बार है कि इस तरह के मॉडल को पर्यावरण की भूमिका को शामिल करते हुए और यहां तक ​​कि इसे नियंत्रित तरीके से तैयार करते हुए एक भौतिक उपकरण पर अनुकरण किया गया था।” “यह रसायन विज्ञान और जीवविज्ञान के लिए प्रासंगिक मॉडल और शासनों की जांच करने के लिए क्वांटम सिमुलेटर का उपयोग करने की हमारी क्षमता में एक महत्वपूर्ण छलांग का प्रतिनिधित्व करता है। आशा है कि क्वांटम सिमुलेशन की शक्ति का उपयोग करके, हम अंततः उन परिदृश्यों का पता लगाने में सक्षम होंगे जो वर्तमान में हैं शास्त्रीय कम्प्यूटेशनल तरीकों के लिए दुर्गम।”

टीम ने प्रोग्राम योग्य क्वांटम प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करके आणविक इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के एक मानक मॉडल को सफलतापूर्वक दोहराकर एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर हासिल किया। ट्यून करने योग्य अपव्यय की सटीक इंजीनियरिंग के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के एडियाबेटिक और नॉनएडियाबेटिक दोनों शासनों का पता लगाया, यह प्रदर्शित करते हुए कि ये क्वांटम प्रभाव अलग-अलग परिस्थितियों में कैसे काम करते हैं। इसके अतिरिक्त, उनके सिमुलेशन ने इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के लिए इष्टतम स्थितियों की पहचान की, जो प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों में देखे गए ऊर्जा परिवहन तंत्र के समानांतर हैं।

“हमारा काम इस सवाल से प्रेरित है: क्या क्वांटम हार्डवेयर का उपयोग सीधे रासायनिक गतिशीलता का अनुकरण करने के लिए किया जा सकता है?” पगानो ने कहा। “विशेष रूप से, क्या हम इन सिमुलेशन में पर्यावरणीय प्रभावों को शामिल कर सकते हैं क्योंकि वे जीवन के लिए आवश्यक प्रक्रियाओं जैसे प्रकाश संश्लेषण और जैव अणुओं में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं? इस प्रश्न को संबोधित करना महत्वपूर्ण है क्योंकि जैव अणुओं में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को सीधे अनुकरण करने की क्षमता मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है। नई प्रकाश-संचयन सामग्री को डिजाइन करने के लिए।”

व्यावहारिक अनुप्रयोगों के निहितार्थ दूरगामी हैं। इस स्तर पर इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रक्रियाओं को समझने से नवीकरणीय ऊर्जा प्रौद्योगिकियों, आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स और यहां तक ​​कि क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए नई सामग्रियों के विकास में सफलता मिल सकती है।

हैरी सी. और ओल्गा के. वीज़ के अध्ययन सह-लेखक जोस एन. ओनुचिक ने कहा, “यह प्रयोग इस बात की गहरी समझ हासिल करने के लिए एक आशाजनक पहला कदम है कि क्वांटम प्रभाव ऊर्जा परिवहन को कैसे प्रभावित करते हैं, विशेष रूप से प्रकाश संश्लेषक परिसरों जैसी जैविक प्रणालियों में।” भौतिकी के अध्यक्ष और भौतिकी और खगोल विज्ञान, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान के प्रोफेसर। “इस प्रकार के प्रयोग में हमें जो अंतर्दृष्टि प्राप्त होती है, वह अधिक कुशल प्रकाश-संचयन सामग्री के डिजाइन को प्रेरित कर सकती है।”

अध्ययन के सह-लेखक, डीआर बुलार्ड-वेल्च फाउंडेशन के विज्ञान के प्रोफेसर और रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान और भौतिकी और खगोल विज्ञान के प्रोफेसर पीटर जी. वोलिनेस ने निष्कर्षों के व्यापक महत्व पर जोर दिया: “यह शोध सैद्धांतिक भविष्यवाणियों और प्रयोगात्मक सत्यापन के बीच के अंतर को पाटता है। , जटिल प्रणालियों में क्वांटम प्रक्रियाओं की खोज के लिए एक उत्कृष्ट ट्यून करने योग्य रूपरेखा की पेशकश करता है।”

टीम ने अधिक जटिल आणविक प्रणालियों जैसे कि प्रकाश संश्लेषण और डीएनए चार्ज परिवहन में शामिल करने के लिए अपने सिमुलेशन का विस्तार करने की योजना बनाई है। शोधकर्ताओं को अपने क्वांटम प्लेटफ़ॉर्म की अद्वितीय क्षमताओं का लाभ उठाते हुए, ऊर्जा हस्तांतरण में क्वांटम सुसंगतता और डेलोकलाइज़ेशन की भूमिका की जांच करने की भी उम्मीद है।

अध्ययन के सह-मुख्य लेखक और भौतिकी और खगोल विज्ञान के प्रोफेसर हान पु ने कहा, “यह सिर्फ शुरुआत है।” “हम यह जानने के लिए उत्साहित हैं कि यह तकनीक जीवन और उससे आगे के क्वांटम रहस्यों को जानने में कैसे मदद कर सकती है।”

अध्ययन के अन्य सह-लेखकों में स्नातक छात्र विसाल सो, मिधुना दुरईसामी सुगंती, अभिषेक मेनन, मिंगजियन झू और अनुसंधान वैज्ञानिक रोमन ज़ुरावेल शामिल हैं।

यह शोध वेल्च फाउंडेशन अवार्ड सी-2154, नेवल रिसर्च यंग इन्वेस्टिगेटर प्रोग्राम के कार्यालय (नंबर एन00014-22-1-2282), नेशनल साइंस फाउंडेशन कैरियर अवार्ड (नंबर पीएचवाई-2144910), की बदौलत संभव हुआ। सेना अनुसंधान कार्यालय (W911NF22C0012), नौसेना अनुसंधान कार्यालय (नंबर N00014-23-1-2665), एनएसएफ (पीएचवाई-2207283, पीएचवाई-2019745 और पीएचवाई-2210291) और राइस में डीआर बुलार्ड-वेल्च चेयर (नंबर सी0016)। लेखक स्वीकार करते हैं कि यह सामग्री अर्ली करियर अवार्ड संख्या DE-SC0023806 के तहत अमेरिकी ऊर्जा विभाग, विज्ञान कार्यालय, परमाणु भौतिकी कार्यालय द्वारा समर्थित कार्य पर आधारित है। इस शोध में उपयोग किए गए आइसोटोप की आपूर्ति आइसोटोप अनुसंधान एवं विकास और उत्पादन कार्यालय द्वारा प्रबंधित अमेरिकी ऊर्जा आइसोटोप कार्यक्रम विभाग द्वारा की गई थी।