Учёные из Манчестерского университета синтезировали молекулу с уникальной топологией — её структура требует четырёх полных оборотов, чтобы вернуться в исходную точку. Это даже сложнее, чем знаменитая лента Мёбиуса, где достаточно двух оборотов. Работа опубликована в журнале Science.

Что это за молекула

Молекула состоит всего из 13 атомов углерода и двух атомов хлора, соединённых в кольцо. Но её пространственная конфигурация настолько необычна, что если представить частицу, движущуюся по ней, то для возвращения на ту же сторону нужно обойти петлю четыре раза.

«Если бы гипотетическая частица двигалась по такой молекуле, ей пришлось бы обойти кольцо четыре раза, чтобы вернуться в исходную точку», — поясняют авторы.

Это первая в мире молекула с топологией, требующей четырёх оборотов. Для сравнения: классическая лента Мёбиуса имеет один «полуоборот» и требует двух проходов для возврата на ту же поверхность.

Как её получили

Синтез проводили на тонкой золотой поверхности при экстремально низкой температуре. Атомы манипулировали поштучно с помощью атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов — это фактически «сборка» молекулы вручную на атомном уровне.

Необычная форма возникла из-за особенностей электронных волн: электроны распределяются по всей молекуле, образуя сложные интерференционные узоры. Именно их взаимодействие и «заставило» структуру закрутиться в такую конфигурацию.

Управление закрученностью

Самое интересное — молекулу можно переключать. С помощью небольшого электромагнитного импульса учёные меняли направление закрученности (с левого на правое) или полностью «раскручивали» её в плоское кольцо. Это открывает путь к созданию молекулярных переключателей и наноустройств с управляемой топологией.

Для расчётов использовали не только классические суперкомпьютеры, но и квантовый компьютер IBM — такие системы гораздо лучше справляются с моделированием сложных электронных взаимодействий.

Зачем это нужно

Работа показывает новый способ конструирования молекул с заранее заданной трёхмерной топологией. В будущем такие структуры могут найти применение в:

  • молекулярных сенсорах;
  • наноэлектронике;
  • квантовых вычислениях;
  • материалах с особыми оптическими или механическими свойствами.

Это также доказывает, что даже простые молекулы из нескольких десятков атомов способны демонстрировать топологические эффекты, которые раньше считались возможными только в макроскопических объектах.

Вкратце

Химики из Манчестерского университета синтезировали молекулу из 13 атомов углерода и 2 хлора с топологией, требующей четырёх оборотов для возврата в исходную точку — это сложнее ленты Мёбиуса. Её собрали на золотой поверхности с помощью атомно-силового микроскопа. Молекулу можно переключать между левым, правым и плоским состояниями. Расчёты подтверждены на квантовом компьютере IBM. Это новый способ создания топологических молекул для нанотехнологий и сенсоров. Исследование опубликовано в Science.