Американские химики из Принстонского университета собрали новые доказательства того, что квантовые вибрации играют важную роль в процессе трансфера (переноса) электронов. Статья об этой работе, опубликованная в издании Nature Chemistry, может оказаться важной вехой в изучении процессов конверсии солнечной энергии.

Используя методику сверхбыстрой лазерной спектроскопии, авторы исследования выяснили, что квантовые колебания обеспечивают каналы для переноса частиц. Главная задача, которая стояла перед учеными во время эксперимента, — выделить из огромного количества колебательных когерентностей (взаимных согласованностей колебательных процессов), генерируемых излучением лазера, те, что непосредственно относятся к трансферу электронов. Короткие лазерные импульсы в методике сверхбыстрой спектроскопии помогли синхронно заблокировать все светопоглощающие объекты, благодаря чему исследователи смогли без помех изучать процесс переноса.

Химики выяснили, что реакция трансфера длится порядка 30 фемтосекунд, что резко расходится с общепринятой на сегодня теорией Маркуса (описание процесса переноса электрона в полярном растворителе в рамках квазиклассических приближений). «Мы обнаружили уникальный каскад квантово-механических событий, происходящих при реакции переноса электрона в очень ограниченных временных рамках», — сказал ведущий автор статьи Шахнаваз Рафик.

События, о которых говорит Рафик, проявляются в виде потери фазовой когерентности вдоль высокочастотных колебаний с последующим импульсным появлением фазовой когерентности вдоль вибраций высокой частоты. Также авторы работы обнаружили, что у продукта реакции переноса электрона присутствует дополнительный волновой пакет (определенная совокупность волновых характеристик в ограниченных пространстве и времени), которого нет у реагентов. Из этого ученые делают вывод, что порядок структурных изменений молекул, участвующих в реакции, определяется частотами колебательных мод.

«Принято считать, что волновой пакет может быть сгенерирован только с помощью фотонного импульса, — объясняет соавтор исследования Бо Фу. — Но здесь мы наблюдали волновой пакет, который, похоже, не генерируется таким импульсом. <…> Моделирование квантовой динамики помогло нам установить, что этот волновой пакет, на самом деле, создала реакция переноса электрона».

Химики сравнили генерацию волновых пакетов в ходе трансфера электрона с растяжением вибрирующей пружины до более стабильного положения, в котором пружина вибрирует со значительно большей амплитудой относительно своего нового среднего положения. Такой ответ синхронизированных колебаний молекулярной структуры обеспечивает механизм ингибирования когерентного повторения трансфера частицы.

Фото: Scholes, Rafiq et al., Nature Chemistry, 2020