Ученым удалось синтезировать молекулу C13Cl2 с половинной топологией Мебиуса для электронов. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Новая молекула состоит из множества атомов, связанных в кольцо, как и многие другие, более простые молекулы. Но если увеличить масштаб изображения электронов, движущихся вокруг атомов, то будет заметно, что их движение по кольцу стало странным и извилистым. Эти изгибы образуют новую структуру, напоминающую знаменитую одностороннюю ленту Мебиуса, но еще более сложную.
Чтобы сделать обычную ленту Мебиуса, нужно повернуть один конец ленты на 180 градусов по сравнению с другим и соединить их. Этот объект назван в честь немецкого математика XVIII века Августа Фердинанда Мебиуса, который первым описал его свойства. Особенность новой молекулы в том, что цепочка атомов скручивается на 90°, образуя петлю, а не на 180°.
Молекула создавалась атом за атомом, и для изучения ее поведения использовались квантово-ориентированные суперкомпьютеры. С помощью новой молекулы, представляющей собой половину ленты Мебиуса, команда создала нечто еще более сложное: электронное облако совершает полный поворот после четырех полных витков, при этом его электронная фаза поворачивается на 90 градусов за один оборот.
И что еще более поразительно, систему можно обратимо контролировать и изменять. В ходе экспериментов удалось доказать, что новые молекулы могут переходить в более высокоэнергетическое, нескрученное состояние, а затем снова возвращаться в одну из возможных лево- или правосторонних версий.
Разработкой занималась команда ученых из компании IBM, Манчестерского и Оксфордского университетов (Великобритания), Швейцарской высшей технической школы Цюриха, Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) и Регенсбургского университета (Германия). Молекула C₁₃Cl₂ была синтезирована в исследовательском центре IBM Research Europe в Цюрихе с помощью сканирующей зондовой микроскопии на тонком изолирующем слое золота при температуре чуть выше абсолютного нуля.
Необычная геометрия молекулы может влиять на движение электронов внутри нее, что потенциально может привести к необычным магнитным и спиновым эффектам. Кроме того, она может стать системой для изучения состояний, возникающих в результате коллективного поведения множества частиц — так называемых квазичастиц. Это открывает путь к новым материалам и технологиям на стыке химии, физики и квантовых вычислений.
Ранее Наука Mail рассказала о том, что у квантовых систем обнаружили избирательную память.
