Впервые в истории науки совместная группа исследователей из IBM, Манчестерского и Регенсбургского университетов, Оксфорда, а также ETH Zurich и EPFL успешно синтезировала молекулу C13Cl2, обладающую половинной топологией Мёбиуса для электронов. Результаты этого прорывного исследования опубликованы в журнале Science.
Процесс создания молекулы проходил атом за атомом с применением прекурсора, разработанного оксфордскими специалистами. Для обеспечения контроля над положением каждого атома и формирования уникальной трёхмерной структуры синтез проводился в условиях температур, максимально приближенных к абсолютному нулю, под воздействием сверхточных электрических импульсов.
Иллюстрация: IBM, University of Manchester
Для подтверждения характеристик полученной структуры ученые задействовали методы сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии. Выяснилось, что электронные орбитали в молекуле совершают поворот на 90° при каждом обходе, а для возврата в исходное состояние им требуется четыре полных оборота. Подобная топология допускает переключение между правой, левой и нескрученной формами, что подтверждает возможность инженерного управления квантовыми свойствами вещества.
Из-за высокого уровня квантовой запутанности моделирование поведения электронов оказалось недоступным для классических вычислительных мощностей. Ученые прибегли к помощи квантового компьютера IBM, который позволил выявить механизм геликоидального псевдоэффекта Яна-Теллера — редкого типа квантового взаимодействия.
Авторы подчеркивают, что топология в будущем может стать ключевым параметром для настройки свойств материалов. Возможность переключения энантиомеров с помощью напряжения на зонде микроскопа открывает широкие перспективы для разработки молекулярных переключателей и принципиально новых квантовых устройств, расширяя горизонты фундаментальной химии и физики.
