Исследователи из IBM, Манчестерского университета, Оксфордского университета, Высшей технической школы Цюриха, Федеральной политехнической школы Лозанны и Университета Регенсбурга объявили о прорывном достижении в области химии и физики: они создали и охарактеризовали молекулу, не имеющую аналогов среди всех известных ранее. Её уникальность заключается в том, что электроны движутся внутри её структуры по спиралевидной траектории, напоминающей штопор, что фундаментальным образом меняет её химическое поведение.
Это первый в истории случай экспериментального наблюдения топологии половины ленты Мёбиуса в электронной структуре отдельной молекулы. По словам ученых, молекула с такой топологией никогда ранее не была не только синтезирована или наблюдаема, но даже формально предсказана теоретически.
Понимание поведения этой молекулы на уровне электронных структур потребовало использования не менее фундаментального инструмента — высокоточной симуляции на квантовом компьютере. Таким образом, открытие знаменует прогресс сразу в двух направлениях. Для химии оно демонстрирует, что электронная топология — свойство, определяющее, как электроны движутся через молекулу, — может быть не просто найдена в природе, а целенаправленно сконструирована. Для квантовых вычислений это наглядная демонстрация того, как квантовое моделирование выполняет свою прямую задачу: напрямую воспроизводит квантово-механическое поведение на молекулярном уровне, позволяя получить научные данные, которые иначе остались бы недосягаемыми.
«Сначала мы разработали молекулу, которая, по нашему мнению, могла бы быть создана, затем мы её построили, а после этого подтвердили её существование и её экзотические свойства с помощью квантового компьютера», — рассказал Алессандро Куриони, сотрудник IBM, вице-президент по Европе и Африке и директор IBM Research Zurich. Он подчеркнул, что это серьезный шаг к воплощению мечты, сформулированной десятилетия назад известным физиком Ричардом Фейнманом — создать компьютер, который наилучшим образом подходит для симуляции квантовой физики. Успех этого исследования знаменует шаг к реализации этого видения, открывая новые пути для изучения нашего мира и материи.
Доктор Игорь Рончевич, соавтор статьи и лектор по вычислительной и теоретической химии в Манчестерском университете, пояснил более широкий контекст открытия: «Химия и физика твердого тела развиваются благодаря поиску новых способов управления материей. Во второй половине XX века были популярны эффекты заместителей. Рубеж веков принес нам спинтронику, представив спин электрона как новую степень свободы, что преобразило хранение данных. Сегодня наша работа показывает, что топология также может служить переключаемой степенью свободы, открывая новый мощный путь для контроля свойств материалов». Он также отметил, что нетривиальная топология этой молекулы, как и экзотическое поведение многих других систем, возникает из взаимодействия между электронами. Моделирование электронов с помощью классических компьютеров крайне сложно, и прогресс здесь невелик. Квантовые же компьютеры, чьи строительные блоки (кубиты) сами являются квантовыми объектами, идеально подходят для этой задачи. Используя квантовый компьютер IBM, ученые смогли исследовать 32 электрона, и это только начало, так как квантовое оборудование быстро совершенствуется.
Сама молекула с формулой C₁₃Cl₂ была собрана атом за атомом в IBM из специального прекурсора, синтезированного в Оксфордском университете. Отдельные атомы удалялись по одному с помощью точно откалиброванных импульсов напряжения в условиях сверхвысокого вакуума при температуре, близкой к абсолютному нулю. Эксперименты со сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопией в сочетании с квантовыми вычислениями выявили электронную конфигурацию, не имеющую аналогов в химии: электронная структура, которая претерпевает поворот на 90 градусов на каждом витке, требуя четыре полных цикла для возврата в исходную фазу. Эта топология половины ленты Мёбиуса качественно отличается от всего, что было известно ранее. Более того, ее можно обратимо переключать между состояниями с закруткой по часовой стрелке, против часовой стрелки и без закрутки, что доказывает: электронная топология — это не просто обнаруживаемое свойство, а параметр, которым теперь можно управлять.
Перед учеными также стояла задача объяснить, почему созданная молекула работает именно так, и это оказалось сложной задачей для обычных компьютеров из-за глубоко переплетенных взаимодействий электронов. Квантовые компьютеры, функционирующие согласно тем же квантово-механическим законам, что и электроны в молекулах, способны представлять эти системы напрямую, а не приближенно. Эта возможность была реализована в рамках квантово-центрического подхода к суперкомпьютерным вычислениям, где квантовые процессоры (QPU) работают в связке с классическими CPU и GPU. Используя квантовый компьютер IBM в таком рабочем процессе, команда обнаружила спиральные молекулярные орбитали, характерные для топологии половины ленты Мёбиуса, и выявила механизм ее формирования — спиральный псевдо-эффект Яна-Теллера. Это достижение опирается на богатую историю IBM в области нанонауки, начиная с изобретения сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году.
Работа была в журнале Science.