Forskare har skapat en molekyl med en ny topologi som liknar en halv-Möbius-rem och som kräver fyra varv för att återvända till startpunkten. Strukturen, bestående av 13 kolatomer och två kloratomer, sattes samman på en guldytor vid låga temperaturer. Upptäckten belyser potentiella framsteg inom molekylär ingenjörskonst och kvantsimuleringar.
Kemister under ledning av Igor Rončević vid University of Manchester i Storbritannien har utvecklat en molekyl som uppvisar en hittills osett ”halv-Möbius”-form, som beskrivs som dubbelt så ovanlig som den traditionella Möbius-remen. Möbius-remen, ett slingat band med en enda vridning, kräver att man färdas runt loopen två gånger för att återvända till startsidan. Denna nya molekyl kräver däremot fyra fulla varv för en kvantpartikel för att slutföra sin bana tillbaka till ursprunget. nnMolekylen består av en ring formad av 13 kolatomer och två kloratomer, konstruerad på en tunn guldytor under extremt kalla förhållanden. Specialiserade verktyg, inklusive ett atomkraftsmikroskop och ett rastertunnelmikroskop, användes för att placera atomerna och undersöka elektronernas egenskaper. Elektronerna i strukturen delokaliseras runt ringen, beter sig som vågor och skapar den karakteristiska vridningen genom sina interaktioner. nnRončević kommenterade: ”Denna molekyl är mycket ny och mycket oväntad. Det fascinerande är inte bara att vi skapade en molekyl med en ovanlig topologi, utan också att vi visade att denna topologi är möjlig – ingen hade egentligen tänkt på det.” nnGenom att tillämpa en liten elektromagnetisk puls kunde teamet ändra molekylens handedness från vänster till höger eller ta bort vridningen helt, vilket demonstrerar topologisk kontroll på begäran. För att verifiera strukturen kördes simuleringar på både konventionella datorer och en IBM-kvantdator. Ivano Tavernelli vid IBM betonade: ”Detta är ett exempel på hur kvantdatorer redan nu kan vara användbara för verkliga kemiproblem”, särskilt för modellering av komplexa elektroninteraktioner. nnExperter har hyllat arbetet. Gemma Solomon vid University of Copenhagen kallade det ”en remarkabel prestation på flera plan: organisk kemi, ytveteskap, nanosvetenskap och kvantkemi.” Kenichiro Itami vid RIKEN beskrev det som ”en vacker och inspirerande studie som för abstrakta topologiska begrepp levande in i molekylär kemi”, och kallade det ett tekniskt mästerverk. Dongho Kim vid Yonsei University framhöll potentialen i omkopplingsförmågan för sensortillämpningar, såsom svar på magnetfält. nnResultaten publiceras i Science (DOI: 10.1126/science.aea3321).