Gần một thế kỷ trước, các nhà vật lý Max Born và J. Robert Oppenheimer đã đề xuất một giả thuyết về cách cơ học lượng tử vận hành trong các phân tử. Những phân tử này bao gồm các hệ thống phức tạp của hạt nhân nguyên tử và electron. Phép tính gần đúng Born-Oppenheimer giả định rằng chuyển động của hạt nhân và electron trong một phân tử xảy ra độc lập và có thể được xử lý riêng biệt.
Mô hình này hoạt động trong phần lớn các trường hợp, nhưng các nhà khoa học đang kiểm tra giới hạn của nó. Gần đây, một nhóm các nhà khoa học đã chứng minh rằng giả định này bị phá vỡ ở thang thời gian cực nhanh, tiết lộ mối quan hệ mật thiết giữa động lực học của hạt nhân nguyên tử và electron. Khám phá này có thể tác động đến thiết kế phân tử trong các lĩnh vực như chuyển đổi năng lượng mặt trời, sản xuất năng lượng, khoa học thông tin lượng tử và hơn thế nữa.
Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Đại học Northwestern, Đại học bang North Carolina và Đại học Washington. Gần đây họ đã xuất bản hai bài báo liên quan trong "Nature" và "Angewandte Chemie International Edition".
Shahnawaz Rafiq, tác giả đầu tiên của bài báo Nature và là cộng tác viên nghiên cứu tại Đại học Northwestern, cho biết: "Công trình của chúng tôi cho thấy sự tương tác giữa động lực spin electron và động lực dao động hạt nhân trong các phân tử ở thang thời gian cực nhanh". “Những đặc tính này không thể được xử lý một cách độc lập – chúng trộn lẫn với nhau để tác động đến động lực điện tử theo những cách phức tạp.”
Khi những thay đổi trong chuyển động của hạt nhân trong phân tử ảnh hưởng đến chuyển động của các electron, sẽ xảy ra một hiện tượng gọi là hiệu ứng dao động spin. Khi các hạt nhân bên trong phân tử dao động do năng lượng vốn có của chúng hoặc do các kích thích bên ngoài như ánh sáng, những rung động này ảnh hưởng đến chuyển động của các electron của chúng, do đó làm thay đổi spin của phân tử, một tính chất cơ học lượng tử liên quan đến từ tính.
Trong một quá trình được gọi là trao đổi chéo giữa các hệ thống, một phân tử hoặc nguyên tử bị kích thích sẽ thay đổi trạng thái điện tử của nó bằng cách đảo hướng quay của electron. Sự trao đổi chéo giữa các hệ thống đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hóa học, bao gồm các thiết bị quang điện, quang xúc tác và thậm chí cả động vật phát quang sinh học. Để đạt được sự giao thoa này, cần có các điều kiện cụ thể và sự khác biệt về năng lượng giữa các trạng thái điện tử liên quan.
Kể từ những năm 1960, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng các hiệu ứng dao động quay có thể đóng vai trò trong sự giao thoa giữa các hệ thống, nhưng việc quan sát trực tiếp hiện tượng này đã được chứng minh là thách thức vì nó liên quan đến việc đo lường những thay đổi ở trạng thái điện tử, dao động và quay trên thang thời gian cực nhanh.
Lin Chen, Thành viên xuất sắc của Argonne, giáo sư hóa học tại Đại học Northwestern và là đồng tác giả tương ứng của cả hai nghiên cứu, cho biết: "Chúng tôi sử dụng các xung laser cực ngắn - thấp tới 7 femto giây hoặc bảy phần tỷ giây - để theo dõi chuyển động của hạt nhân và electron trong chuyển động thời gian thực, cho thấy các hiệu ứng rung động spin thúc đẩy sự giao thoa giữa các hệ thống như thế nào. "
Hiểu được sự tương tác giữa hiệu ứng dao động spin và sự giao thoa giữa các hệ thống, có thể tìm ra những cách mới để kiểm soát và khai thác các đặc tính điện tử và spin của các phân tử.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu bốn hệ thống phân tử độc đáo được thiết kế bởi Felix Castellano, giáo sư tại Đại học bang North Carolina và đồng tác giả của cả hai nghiên cứu. Mỗi hệ thống tương tự như các hệ thống khác, nhưng có những khác biệt đã biết trong cấu trúc có thể kiểm soát được. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu khai thác các hiệu ứng chéo hơi khác nhau và động lực dao động giữa các hệ thống để có được sự hiểu biết đầy đủ hơn về mối quan hệ giữa hai hệ thống.
Castellano cho biết: “Những thay đổi hình học mà chúng tôi thiết kế trong các hệ thống này đã khiến điểm giao nhau giữa các trạng thái kích thích điện tử tương tác thay đổi hơi khác nhau ở các mức năng lượng và điều kiện khác nhau. Điều này mang lại ý nghĩa cho việc điều chỉnh và thiết kế vật liệu để tăng cường sự giao nhau này”.
Dưới sự cảm ứng của chuyển động dao động, hiệu ứng dao động quay trong phân tử sẽ thay đổi sự phân bố năng lượng bên trong phân tử, làm tăng xác suất và tốc độ trao đổi chéo giữa các hệ thống. Đội nghiên cứu còn phát hiện ra các trạng thái điện tử trung gian quan trọng không thể tách rời khỏi hoạt động của hiệu ứng dao động spin.
Xiaosong Li, giáo sư hóa học tại Đại học Washington và là nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng, đã dự đoán và ủng hộ những kết quả này thông qua các tính toán động lực lượng tử. Li Xiaosong, một trong những tác giả của nghiên cứu được công bố trên ấn bản quốc tế của Angewandte Chemie cho biết: “Những thí nghiệm này cho thấy các phản ứng hóa học rất rõ ràng và đẹp mắt trong thời gian thực, trùng khớp với dự đoán của chúng tôi”. Những hiểu biết sâu sắc được tiết lộ bởi thí nghiệm
thể hiện một bước tiến trong việc thiết kế các phân tử sử dụng mối quan hệ cơ học lượng tử mạnh mẽ này. Điều này có thể đặc biệt hữu ích cho pin mặt trời, màn hình điện tử tốt hơn và thậm chí cả các phương pháp điều trị y tế dựa vào tương tác vật chất ánh sáng.