Молекула C13Cl2 с топологией Мёбиуса. Источник: IBM, University of Manchester
Химия и квантовая физика только 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, имеющую топологию Мебиуса для электронов. Результаты работы, опубликованные в журнале Science, фактически открывают эпоху 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, учёные 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, будто они двигаются по поверхности ленты Мёбиуса, имеющей лишь одну сторону и одну границу.
Четыре круга для одного возвращения
Самое интересное начинается, когда мы смотрим на поведение электронов. В обычных молекулах все предсказуемо, но в C13Cl2 электроны совершают поворот на 90° при каждом полном обходе структуры. Это означает, что частице нужно сделать целых четыре полных оборота, чтобы вернуться в свое исходное квантовое состояние. Такая «закрученность» позволяет молекуле существовать в трех формах: правой, левой и нескрученной.
Чтобы понять, как это работает, классических суперкомпьютеров оказалось мало. Проблема в сильном квантовом запутывании, которое превращает расчеты в математический ад. Поэтому для моделирования был привлечен квантовый компьютер IBM. Именно он помог разгадать механизм, известный как геликоидальный псевдоэффект Яна-Теллера — специфический тип квантового взаимодействия, отвечающий за столь необычное поведение.
Будущее молекулярных переключателей
Зачем нам нужна молекула, заставляющая 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 зонде 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 квантовый мир, 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, изменяет правила игры в материаловедении.
Пока одни ученые работают над квантовыми лабиринтами, другие находят применение более приземленным вещам. К примеру, оказывается, что хлопок вместо лития может стать основой для суперконденсаторов, если правильно переделать старые футболки.