Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από κορυφαία ιδρύματα, όπως η IBM, το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και η Οξφόρδη, κατάφερε να δημιουργήσει και να χαρακτηρίσει ένα μόριο με ιδιότητες που δεν έχουν προηγούμενο στην επιστήμη.
Το μόριο αυτό παρουσιάζει μια μοναδική ηλεκτρονική δομή, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται σε ένα μοτίβο που θυμίζει τιρμπουσόν, αλλάζοντας ριζικά τη χημική του συμπεριφορά.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, αποτελεί την πρώτη πειραματική παρατήρηση ηλεκτρονικής τοπολογίας τύπου ημι-Möbius σε μεμονωμένο μόριο.
Η τοπολογία ως νέο εργαλείο ελέγχου της ύλης
Η ανακάλυψη αυτή ανατρέπει τα δεδομένα στη χημεία, αποδεικνύοντας ότι η ηλεκτρονική τοπολογία -δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα μόριο- μπορεί να σχεδιαστεί σκόπιμα και να μην αποτελεί απλώς ένα εύρημα της φύσης. Όπως εξήγησε ο Δρ Ιγκόρ Ρόντσεβιτς από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, αν ο 20ός αιώνας χαρακτηρίστηκε από τον έλεγχο των υλικών μέσω χημικών υποκαταστατών και ο 21ος από τη σπιντρονική, η νέα αυτή εργασία δείχνει ότι η τοπολογία μπορεί να αποτελέσει έναν νέο, ισχυρό βαθμό ελευθερίας για τον έλεγχο των ιδιοτήτων των υλικών.
Κβαντική προσομοίωση 32 ηλεκτρονίων
Για την κατανόηση της συμπεριφοράς του μορίου C13Cl2, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν κβαντική υπολογιστική υψηλής πιστότητας. Ενώ οι κλασικοί υπολογιστές δυσκολεύονται να μοντελοποιήσουν συστήματα με περισσότερα από 18 ηλεκτρόνια λόγω της πολυπλοκότητας των αλληλεπιδράσεών τους, η ομάδα της IBM κατάφερε να εξερευνήσει 32 ηλεκτρόνια χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό υπολογιστή. Αυτό το επίτευγμα επιβεβαιώνει το όραμα του φυσικού Ρίτσαρντ Φάινμαν για τη δημιουργία υπολογιστών που λειτουργούν με τους ίδιους νόμους της κβαντικής μηχανικής που διέπουν την ύλη την οποία μελετούν.
Ατομική συναρμολόγηση και αναστρέψιμη κατάσταση
Το μόριο συναρμολογήθηκε άτομο προς άτομο στις εγκαταστάσεις της IBM, χρησιμοποιώντας ακριβείς παλμούς τάσης σε συνθήκες υπερυψηλού κενού και θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Η ηλεκτρονική δομή του μορίου υφίσταται μια περιστροφή 90 μοιρών σε κάθε κύκλο, απαιτώντας τέσσερις πλήρεις διαδρομές για να επιστρέψει στην αρχική του φάση.
Το πλέον εντυπωσιακό στοιχείο είναι ότι αυτή η τοπολογία ημι-Möbius μπορεί να αλλάξει αναστρέψιμα μεταξύ δεξιόστροφης, αριστερόστροφης και μη στρεβλωμένης κατάστασης, ανοίγοντας τον δρόμο για τη δημιουργία «έξυπνων» μοριακών υλικών στο μέλλον.