הטופולוגיה של מולקולות מסתובבות

הטופולוגיה של מולקולות מסתובבות

חותמת זמן: 10 במרץ 2023 8:31
צומת המקור: 2005858
10 במרץ 2023 (חדשות Nanowerk) התכונות הטופולוגיות המיוחדות של צורות מסוימות של חומר נחקרו במשך עשרות שנים. כעת, חוקרים במכון למדע וטכנולוגיה באוסטריה (ISTA) גילו תכונות טופולוגיות של מולקולות דו-אטומיות פשוטות המונעות לסיבוב על ידי פעימות לייזר. המדענים מיישמים מתמטיקה דומה כדי לתאר אותם כמו עבור מערכות חומר מוצק, ובכך מגשרים בין שני תחומים שונים בפיזיקה. הממצאים שלהם מבטיחים יישומים אפשריים בכימיה. לפעמים, יכולים לצוץ קשרים בלתי צפויים בין תחומי מחקר שונים בפיזיקה. זה המקרה לתכונות הטופולוגיות של מצבים קוונטיים במולקולות מסתובבות. במחקר חדש, סטודנט לדוקטורט וולקר קארל, פוסט-דוקטורט Areg Ghazaryan ופרופסור מיכאיל למשקו מהמכון למדע וטכנולוגיה אוסטריה (ISTA), חשפו כעת שמולקולה מסתובבת פשוטה העשויה משני אטומים בלבד יכולה להציג מצבים קוונטיים בעלי תכונות טופולוגיות. , בדומה למה שקורה ב גרפן וחומרים טופולוגיים אחרים במצב מוצק. "הדבר המעניין הוא ששתי המערכות הללו - מולקולה אחת מסתובבת ויריעה מוצקה של גרפן העשויה ממיליוני אטומי פחמן - שונות מאוד ובכל זאת, חלק מהתכונות שלהן יכולות להיות מתוארות על ידי מתמטיקה דומה", מסביר קרל. "אנחנו בונים גשר בין תחומי הכימיה הפיזיקלית והפיזיקה של המצב המוצק." שלושת החוקרים פרסמו את הממצאים החדשים שלהם בכתב העת מכתבי סקירה פיזית ("מטענים טופולוגיים של מולקולות שנבעטו מעת לעת"). סופגנייה תחת טרנספורמציות גיאומטריות שונות סופגנייה תחת טרנספורמציות גיאומטריות שונות. מנקודת מבט מתמטית, הסופגניה נשארת סופגניה, לא משנה איך היא מעוותת, כל עוד יש לה רק חור אחד. (תמונה: ISTA)

סופגניה נשארת סופגניה

"טופולוגיה היא חקר התכונות הגיאומטריות של עצם שאינן מושפעות מהשינוי המתמשך של צורתו וגודלו. ההבנה שאפשר לסווג מצבים קוונטיים לא רק לפי האנרגיה והסימטריה שלהם אלא גם לפי הטופולוגיה שלהם הובילה לפריצת דרך אמיתית בהבנתנו את הפיזיקה של המצב המוצק בעשורים האחרונים", מסביר למשקו. "דוגמה פשוטה למאפיין טופולוגי תהיה סופגנייה. מנקודת מבט מתמטית, סופגניה היא רק טבעת עם חור אחד", מוסיף קרל. "לא משנה איך אתה מותח או לוחץ את זה, זה נשאר סופגנייה כל עוד אתה לא עושה שום דבר דרסטי כמו להוסיף או להסיר חור. התכונה להיות סופגניה מוגנת אפוא טופולוגית מפני הפרעות 'קטנות' כמו שינוי צורתה או גודלה".
במערכות כמו מבודדים טופולוגיים, ההשפעות הטופולוגיות הללו נובעות מהשפעות של מיליוני אטומים המקיימים אינטראקציה זה עם זה. עם זאת, קארל, Ghazaryan ולמשקו הראו שניתן למצוא תופעה מסוג זה גם במערכות הרבה יותר פשוטות כמו מולקולה בודדת.

דחיפת מולקולה עם אור לייזר

"המערכת שאנו חוקרים היא מולקולה אחת שנוצרת על ידי שני אטומים הקשורים זה לזה", אומר קרל. החוקרים יצרו מודל שמתאר מה קורה במולקולה כזו הנדחפת על ידי פולסי לייזר קצרים כדי לגרום לה להסתובב סביב נקודת האמצע בין שני האטומים. "בדיוק באורך הגל ובתזמון הנכונים של פעימות הלייזר, אנו יכולים ליצור מצבים קוונטיים לא טריוויאליים טופולוגית במולקולה שמתנהגים כמו אלה שנמצאים במערכות מצב מוצק." במשך עשרות שנים, מדענים חקרו את התכונות הטופולוגיות של חומרים ומערכות רבות ושונות - אפילו הובילו לפרס נובל בשנת 2016. עם זאת, מציאתם במערכת כמו מולקולה פשוטה מאפשרת סוגים חדשים של ניסויים ויישומים. "אנחנו מדמיינים ניסוי שבו זרם של מולקולות כאלה נורה ממקור ואז פוגע בפולסי לייזר", מדמיין קארל. "אז הם טסים לתוך גלאי שבו נוכל לחקור את המצבים הקוונטיים שלהם בפירוט רב יותר ממה שאפשר עם מערכות מצב מוצק." החוקרים מקווים להשיג תובנות רבות נוספות מניסויים עתידיים, אולי מניחים את היסודות ליישומים חדשים בכימיה.

שליטה בתגובתיות

תכונות טופולוגיות לא טריוויאליות, כמו אלו המתוארות בפרסום חדש זה, עלולות להוביל למצבים קוונטיים מוגנים טופולוגית. אלה מעניינים במיוחד עבור כל יישום שצריך להיות עמיד בפני הפרעות חיצוניות כמו חום, שדות מגנטיים או זיהומים חומרים. דוגמה ידועה שזכתה להתעניינות מחקרית רבה במהלך השנים האחרונות היא מחשבים קוונטיים המבוססים על ביטים קוונטיים טופולוגיים. עם זאת, המולקולות שקרל ועמיתיו חוקרים ימצאו יישומים שונים. "אנו מקווים שהמחקר הזה יאפשר לנו להבין טוב יותר תגובות כימיות רבות ואולי יוביל יום אחד לדרכים חדשות לשלוט בהן", אומר למשקו. "נוכל להשתמש בלייזרים כדי ליצור מצבים קוונטיים מוגנים טופולוגית במולקולות שמגבירות או מקטינות את התגובתיות שלהן עם כימיקלים אחרים בדיוק כפי שאנו זקוקים לה. ההגנה הטופולוגית תייצב את המצב הקוונטי של המולקולה שאחרת היה נעלם במהירות."

בול זמן:

עוד מ ננוווק