Topologi molekul berputar

Topologi molekul berputar

Stempel Waktu: 10 Maret 2023 8
Node Sumber: 2005858
10 Mar 2023 (Berita Nanowerk) Sifat topologi yang khas dari beberapa bentuk materi telah diteliti selama beberapa dekade. Sekarang, para peneliti di Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) telah menemukan sifat topologi dari molekul diatomik sederhana yang digerakkan oleh pulsa laser. Para ilmuwan menerapkan matematika serupa untuk menggambarkannya sebagai sistem materi padat, sehingga menjembatani dua bidang fisika yang berbeda. Temuan mereka menjanjikan kemungkinan aplikasi dalam kimia. Terkadang, hubungan tak terduga antara bidang penelitian yang berbeda dalam fisika dapat muncul. Ini adalah kasus untuk sifat topologi keadaan kuantum dalam molekul berputar. Dalam sebuah studi baru, mahasiswa PhD Volker Karle, Postdoc Areg Ghazaryan, dan Profesor Mikhail Lemeshko dari Institute of Science and Technology Austria (ISTA), kini mengungkapkan bahwa molekul berputar sederhana yang terbuat dari hanya dua atom dapat menampilkan keadaan kuantum dengan sifat topologi. , mirip dengan yang terjadi di graphene dan bahan topologi solid-state lainnya. “Hal yang menarik adalah bahwa kedua sistem ini—satu molekul berputar dan selembar graphene padat yang terbuat dari jutaan atom karbon—sangat berbeda, namun beberapa sifatnya dapat dijelaskan dengan matematika serupa,” jelas Karle. “Kami sedang membangun jembatan antara bidang kimia fisik dan fisika keadaan padat.” Ketiga peneliti menerbitkan temuan baru mereka di jurnal Physical Review Letters (“Muatan topologi dari molekul yang ditendang secara berkala”). Donat di bawah transformasi geometris yang berbeda Donat di bawah transformasi geometris yang berbeda. Dari sudut pandang matematis, donat tetaplah donat, bagaimanapun bentuknya, asalkan masih memiliki satu lubang saja. (Gambar: ISTA)

Donat tetaplah donat

“Topologi adalah studi tentang sifat geometris suatu objek yang tidak terpengaruh oleh perubahan bentuk dan ukurannya yang terus menerus. Menyadari bahwa seseorang dapat mengklasifikasikan keadaan kuantum tidak hanya berdasarkan energi dan simetrinya tetapi juga berdasarkan topologinya menyebabkan terobosan nyata dalam pemahaman kita tentang fisika keadaan padat dalam beberapa dekade terakhir,” jelas Lemeshko. “Contoh sederhana dari properti topologi adalah donat. Dari perspektif matematis, donat hanyalah sebuah cincin dengan satu lubang,” tambah Karle. “Tidak peduli bagaimana Anda meregangkan atau meremasnya, itu tetap menjadi donat selama Anda tidak melakukan sesuatu yang drastis seperti menambah atau menghilangkan lubang. Oleh karena itu, properti donat dilindungi secara topologi dari gangguan 'kecil' seperti perubahan bentuk atau ukurannya.”
Dalam sistem seperti isolator topologi, efek topologi ini muncul dari efek jutaan atom yang berinteraksi satu sama lain. Namun, Karle, Ghazaryan, dan Lemeshko telah menunjukkan bahwa fenomena semacam ini juga dapat ditemukan dalam sistem yang lebih sederhana seperti molekul tunggal.

Mendorong molekul dengan sinar laser

“Sistem yang kami pelajari adalah molekul tunggal yang dibentuk oleh dua atom yang terikat bersama,” kata Karle. Para peneliti menciptakan model yang menggambarkan apa yang terjadi pada molekul yang didorong oleh pulsa laser pendek untuk membuatnya berputar di sekitar titik tengah antara dua atom. "Pada panjang gelombang dan waktu yang tepat dari pulsa laser, kita dapat menciptakan keadaan kuantum nontrivial secara topologi dalam molekul yang berperilaku seperti yang ditemukan dalam sistem keadaan padat." Selama beberapa dekade sekarang, para ilmuwan telah mempelajari sifat topologi dari banyak bahan dan sistem yang berbeda — bahkan mengarah ke Hadiah Nobel pada tahun 2016. Namun, menemukan mereka dalam sistem seperti molekul sederhana memungkinkan jenis eksperimen dan aplikasi baru. “Kami sedang membayangkan eksperimen di mana aliran molekul semacam itu ditembakkan dari sumbernya dan kemudian dipukul dengan pulsa laser,” Karle membayangkan. "Mereka kemudian terbang ke detektor di mana kita dapat mempelajari status kuantum mereka dengan lebih detail daripada yang mungkin dilakukan dengan sistem solid-state." Para peneliti berharap untuk mendapatkan lebih banyak wawasan dari percobaan masa depan yang mungkin meletakkan dasar untuk aplikasi baru dalam kimia.

Mengontrol reaktivitas

Properti topologi non-sepele, seperti yang dijelaskan dalam publikasi baru ini, dapat mengarah pada status kuantum yang dilindungi secara topologi. Ini sangat menarik untuk aplikasi apa pun yang perlu tahan terhadap gangguan luar seperti panas, medan magnet, atau kotoran material. Contoh terkenal yang telah mengumpulkan banyak minat penelitian selama beberapa tahun terakhir adalah komputer kuantum berdasarkan bit kuantum topologi. Namun, molekul yang dipelajari Karle dan rekan-rekannya akan menemukan aplikasi yang berbeda. “Kami berharap penelitian ini akan memungkinkan kami untuk lebih memahami banyak reaksi kimia dan suatu hari nanti dapat mengarah pada cara baru untuk mengendalikannya,” kata Lemeshko. “Kita dapat menggunakan laser untuk membuat keadaan kuantum yang dilindungi secara topologi dalam molekul yang meningkatkan atau menurunkan reaktivitasnya dengan bahan kimia lain sesuai kebutuhan kita. Perlindungan topologi akan menstabilkan keadaan kuantum molekul yang jika tidak akan hilang dengan cepat.”

Stempel Waktu:

Lebih dari Nanowerk