Міжнародна команда дослідників синтезувала молекулу з принципово новою електронною структурою, яка раніше не зустрічалася у природі, повідомляє ScienceX. У проєкті взяли участь фахівці з IBM, університету Манчестера, університету Оксфорда та федеральної вищої технічної школи Цюриха.
Електрони в новій молекулі рухаються спіралеподібною траєкторією. Під час кожного “оберту” їхня конфігурація повертається приблизно на 90 градусів і лише після чотирьох повних циклів повертається до початкового стану. Таку електронну конфігурацію називають напів-Мебіусовою топологією. За словами науковців, подібну структуру раніше не тільки не синтезували і не спостерігали, але навіть не передбачали теоретично.
Молекулу з формулою C₁₃Cl₂ створили буквально атом за атомом у лабораторії IBM. Початкову речовину підготували дослідники з Оксфорда, після чого в умовах надвисокого вакууму і температури, близької до абсолютного нуля, з неї по черзі видаляли атоми за допомогою точних електричних імпульсів.
Отриману структуру досліджували за допомогою сканувального тунельного та атомно-силового мікроскопів – технологій, які також були розроблені в IBM і за створення яких у 1986 році науковці отримали Нобелівську премію.
Втім, пояснити незвичайну поведінку молекули виявилося не менш складним завданням, ніж її синтезувати. Електрони всередині C₁₃Cl₂ взаємодіють надзвичайно складним чином, і моделювання таких процесів на класичних комп’ютерах потребує колосальних обчислювальних ресурсів.
Як пояснив один із авторів дослідження Ігор Рончевич з університету Манчестерa, класичні комп’ютери за останнє десятиліття змогли просунутися лише від точного моделювання систем із 16 електронами до приблизно 18. Натомість використання квантового комп’ютера IBM дозволило змоделювати систему з 32 електронами.
Квантове моделювання допомогло виявити спіральні молекулярні орбіталі та зрозуміти механізм формування цієї незвичайної топології. Крім того, дослідники показали, що електронну структуру молекули можна перемикати між трьома станами – із закручуванням за годинниковою стрілкою, проти неї або без закручування.
За словами віцепрезидента IBM Алессандро Куріоні, дослідження стало важливим кроком до ідеї, яку ще десятиліття тому висловив фізик Річард Фейнман – створення комп’ютера, здатного найкраще моделювати квантову фізику