Modelización de la arquitectura molecular

Nuevo enfoque para la simulación de la química cuántica

14.10.2019

Javier Argüello Luengo, MPQ

Visualización del simulador cuántico propuesto, en el que los átomos ultra-fríos se mueven en una red óptica jugando el papel de electrones moleculares.

Búsqueda de nuevas sustancias y desarrollo de nuevas técnicas en la industria química: tareas que a menudo se aceleran mediante simulaciones por ordenador de moléculas o reacciones. Pero incluso las supercomputadoras alcanzan rápidamente sus límites. Ahora los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching (MPQ) han desarrollado un enfoque alternativo y analógico. Un equipo internacional en torno a Javier Argüello-Luengo, candidato al doctorado en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), Ignacio Cirac, Director y Jefe del Departamento de Teoría del MPQ, Peter Zoller, Director del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Innsbruck (IQOQI), y otros, han diseñado el primer anteproyecto para un simulador cuántico que imita la química cuántica de las moléculas. Al igual que un modelo arquitectónico puede ser utilizado para probar la estática de un futuro edificio, un simulador de moléculas puede ayudar a investigar las propiedades de las moléculas.

Utilizando el hidrógeno, la molécula más simple de todas, por ejemplo, el equipo global de físicos de Garching, Barcelona, Madrid, Beijing e Innsbruck demuestra teóricamente que el simulador cuántico puede reproducir el comportamiento de la capa de electrones de una molécula real. En su trabajo, también muestran cómo los físicos experimentales pueden construir tal simulador paso a paso. "Nuestros resultados ofrecen un nuevo enfoque para la investigación de los fenómenos que aparecen en la química cuántica", dice Javier Argüello-Luengo. Esto es muy interesante para los químicos porque los ordenadores clásicos luchan notoriamente para simular compuestos químicos, ya que las moléculas obedecen las leyes de la física cuántica. Un electrón en su envoltura, por ejemplo, puede girar hacia la izquierda y la derecha simultáneamente. En un compuesto de muchas partículas, como una molécula, el número de estas posibilidades paralelas se multiplica. Debido a que cada electrón interactúa entre sí, la complejidad rápidamente se vuelve imposible de manejar.

Como salida, en 1982, el físico estadounidense Richard Feynman sugirió lo siguiente: Deberíamos simular los sistemas cuánticos reconstruyéndolos como modelos simplificados en el laboratorio a partir de átomos individuales, que son intrínsecamente cuánticos, lo que implica un paralelismo de las posibilidades por defecto. Hoy en día, los simuladores cuánticos ya están en uso, por ejemplo, para imitar los cristales. Tienen una red atómica regular, tridimensional, que es imitada por varios rayos láser que se cruzan, la "red óptica". Los puntos de intersección forman algo así como pozos en un cartón de huevos en el que se llenan los átomos. La interacción entre los átomos puede controlarse amplificando o atenuando los rayos. De esta manera, los investigadores obtienen un modelo variable en el que pueden estudiar el comportamiento atómico con gran precisión.

El gran desafío conceptual

Lo que ahora es novedoso es la idea de usar una estructura similar para simular una molécula, cuya química está determinada por su cubierta de electrones. En el modelo teórico propuesto, los átomos eléctricamente neutros en la red óptica asumen el papel de electrones. Los átomos pueden moverse libremente de pozo en pozo en el "cartón de huevo", similar a los electrones en la cáscara de una molécula real. El gran desafío conceptual que los físicos debían resolver era que los electrones se repelen entre sí debido a su misma carga eléctrica. Esta interacción se llama "interacción Coloumb" y tiene efecto incluso a grandes distancias. Sin embargo, los átomos del "cartón de huevos" sólo interactúan con sus vecinos directos. "Así que lo que necesitábamos hacer adicionalmente era modelar la disminución característica de la interacción de Coulomb con la distancia entre los electrones simulados", dice Argüello-Luengo.

Para abordar ese problema, los investigadores se inspiraron en cómo se describe la interacción de Coloumb en la teoría cuántica. De acuerdo con esto, un electrón emite una partícula de luz (fotón) que es capturada por otro electrón. Como dos personas en patines, con una lanzando una pelota a la otra para atraparla, esto hace que la gente se aleje la una de la otra. Análogamente, los dos electrones se repelen entre sí. Por lo tanto, los investigadores sugieren un mecanismo similar en su molécula modelada. En primer lugar, cada pocillo del "cartón de huevos" se llena con átomos adicionales. Cada uno de estos átomos de fondo puede ser energéticamente excitado por la irradiación de una luz láser, proporcionando el medio para transmitir la interacción. Un átomo de fondo excitado pasa la energía a su vecino, quien la pasa a su vecino y así sucesivamente. La excitación se mueve como un fotón a través del medio. "La excitación se produce preferentemente en las posiciones donde se encuentra uno de los electrones modelados", explica Argüello-Luengo. El "electrón" y el átomo de fondo excitado se repelen entre sí. Si la excitación que viaja alrededor se encuentra con el segundo "electrón", también se produce la repulsión. Así es como se mediatiza el efecto. La probabilidad de tal intercambio disminuye con la distancia entre los dos "electrones", como ocurre con la interacción de Coulomb.

Curiosamente, el simulador sugerido también puede escalar a moléculas más grandes que el hidrógeno. En el futuro, la gente podrá utilizar las simulaciones de un modelo como este sugerido, compararlo con un modelo convencional de computadora y ajustarlo en consecuencia. El físico se atreve a mirar hacia adelante: "Nuestro trabajo abre ahora la posibilidad de calcular eficientemente las estructuras electrónicas de las moléculas mediante simulación cuántica analógica. Esto desencadenará una mejor comprensión de los problemas (bio)químicos que son difíciles de explorar con los ordenadores de hoy en día".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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