Молекулярная лента Мёбиуса: IBM и ученые создали квантовый лабиринт для электронов

Молекула C13Cl2 с топологией Мёбиуса. Источник: IBM, University of Manchester

Химия и квантовая физика только что официально перешли на уровень «мы строим это, потому что можем». Команда ученых из IBM, Оксфорда, Манчестерского университета и ряда ведущих европейских институтов (ETH Zurich, EPFL, Регенсбург) сделала то, что раньше считалось теоретической экзотикой. Они синтезировали молекулу C13Cl2, которая имеет топологию Мёбиуса для электронов. Результаты работы, опубликованные в журнале Science, фактически открывают эру инженерного управления квантовыми свойствами вещества на уровне отдельных атомов.

Атомный конструктор при абсолютном нуле

Процесс создания C13Cl2 напоминал работу ювелира-перфекциониста с манией величия. Вместо того, чтобы смешивать реагенты в колбе и надеяться на чудо, исследователи собирали молекулу по одному атому. Используя прекурсор, разработанный в Оксфорде, ученые применяли сверхточные электрические импульсы зонда сканирующего туннельного микроскопа. Все это происходило при температуре, максимально приближенной к абсолютному нулю, чтобы атомы не разбежались от лишней энергии.

С помощью атомно-силовой микроскопии удалось подтвердить, что структура молекулы — это не просто очередное химическое соединение, а трехмерная конструкция, которой не существует в природе. Основная «фишка» здесь в топологии: электроны в этой системе ведут себя так, словно они движутся по поверхности ленты Мёбиуса, которая имеет всего одну сторону и одну границу.

Четыре круга для одного возвращения

Самое интересное начинается, когда мы смотрим на поведение электронов. В обычных молекулах все довольно предсказуемо, но в C13Cl2 электроны совершают поворот на 90° при каждом полном обходе структуры. Это означает, что частице нужно совершить целых четыре полных оборота, чтобы вернуться в свое исходное квантовое состояние. Такая «закрученность» позволяет молекуле существовать в трех формах: правой, левой и незакрученной.

Чтобы понять, как это работает, классических суперкомпьютеров оказалось недостаточно. Проблема в сильном квантовом переплетении, которое превращает расчеты в математический ад. Поэтому для моделирования привлекли квантовый компьютер IBM. Именно он помог разгадать механизм, известный как геликоидальный псевдоэффект Яна-Теллера — специфический тип квантового взаимодействия, отвечающий за такое необычное поведение.

Будущее молекулярных переключателей

Зачем нам нужна молекула, которая заставляет электроны бегать по кругам? Во-первых, это идеальный кандидат на роль молекулярного переключателя. Эксперимент показал, что энантиомеры (зеркальные формы) молекулы можно переключать, просто подавая напряжение на зонд микроскопа. Во-вторых, топология становится новым параметром для настройки свойств материалов. Вместо того, чтобы искать новые элементы в таблице Менделеева, мы можем просто «скручивать» имеющиеся так, как нам нужно.

Это исследование доказывает, что мы уже не просто наблюдаем за квантовым миром, а начинаем диктовать ему свои условия. И хотя до появления коммерческих устройств на основе таких молекул еще далеко, сам факт того, что мы можем проектировать объекты с экзотическими квантовыми свойствами «по заказу», меняет правила игры в материаловедении.

Пока одни ученые работают над квантовыми лабиринтами, другие находят применение более приземленным вещам. Например, оказывается, что хлопок вместо лития может стать основой для суперконденсаторов, если правильно переработать старые футболки.