Odkrycie, o którym mowa, dotyczy cząsteczki o wzorze C₁₃Cl₂, której elektrony tworzą nietypową konfigurację określaną jako topologia pół-Möbiusa. Oznacza to, że układ elektronów w tej cząsteczce zachowuje się podobnie do powierzchni wstęgi Möbiusa, czyli znanego obiektu matematycznego posiadającego tylko jedną stronę. W tym przypadku skręcenie jest jednak tylko częściowe. Takie ułożenie prowadzi do wyjątkowych właściwości elektronowych, które wcześniej uważano za niezwykle trudne do zrealizowania w rzeczywistym układzie chemicznym.
Czytaj też: Fizycy stworzyli katapultę, a teraz strzelają z niej elektronami. Zbliżają się do granic fizyki
Samą cząsteczkę skonstruowano w niezwykle precyzyjny sposób: dosłownie atom po atomie. W laboratoriach badawczych IBM w Zurychu naukowcy wykorzystali techniki nanotechnologiczne oraz mikroskopię skaningową, aby manipulować pojedynczymi atomami w temperaturze zbliżonej do zera absolutnego. Z wykorzystaniem specjalnie przygotowanego prekursora chemicznego usuwano wybrane atomy przy pomocy impulsów napięcia, co pozwoliło stworzyć stabilną strukturę o wcześniej nieznanej geometrii elektronowej.
Kluczowym elementem badań okazało się jednak wykorzystanie komputerów kwantowych. Klasyczne symulacje chemiczne często mają trudności z dokładnym modelowaniem złożonych układów elektronowych w większych cząsteczkach. W tym przypadku badacze użyli obliczeń kwantowych, aby przeanalizować zachowanie 32 elektronów w nowo powstałej strukturze i potwierdzić, że rzeczywiście tworzą one pół-skręcony układ charakterystyczny dla topologii pół-Möbiusa. Dzięki temu możliwe było nie tylko zaobserwowanie cząsteczki, lecz również matematyczne udowodnienie jej egzotycznych właściwości.
Nowa struktura molekularna nie była dotychczas ani obserwowana, ani teoretycznie przewidywana
Jak widać, komputery kwantowe zaczynają odgrywać realną rolę w badaniach naukowych, szczególnie w chemii kwantowej i projektowaniu nowych materiałów. W przeciwieństwie do tradycyjnych komputerów mogą one bezpośrednio symulować zjawiska kwantowe zachodzące w atomach i molekułach. Według badaczy takie podejście może w przyszłości przyspieszyć odkrywanie nowych leków, materiałów o niezwykłych właściwościach czy bardziej wydajnych katalizatorów chemicznych.
Czytaj też: Silnik przyszłości nie potrzebuje większej mocy. Potrzebuje lepszego materiału
Naukowcy podkreślają, że stworzenie cząsteczki o topologii pół-Möbiusa jest dopiero początkiem. Nowe metody łączące eksperymenty laboratoryjne z obliczeniami kwantowymi mogą w kolejnych latach doprowadzić do powstania całej klasy nieznanych wcześniej struktur molekularnych. Każda z nich może wykazywać nietypowe właściwości elektroniczne lub magnetyczne, które w przyszłości znajdą zastosowanie w elektronice molekularnej, nowych technologiach energetycznych czy w projektowaniu zaawansowanych materiałów.
Źródło: IBM, Quantum Intelligence Network
