회전하는 분자의 토폴로지

회전하는 분자의 토폴로지

타임 스탬프 : 10 년 2023 월 8 일 오전 31시 XNUMX 분
소스 노드 : 2005858
10년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) 일부 물질 형태의 독특한 위상학적 특성은 수십 년 동안 연구되어 왔습니다. 이제 오스트리아 과학 기술 연구소(ISTA)의 연구원들은 레이저 펄스에 의해 회전하도록 구동되는 단순한 이원자 분자의 위상학적 특성을 발견했습니다. 과학자들은 유사한 수학을 적용하여 고체 물질 시스템에 대해 설명함으로써 물리학의 두 가지 다른 분야를 연결합니다. 그들의 발견은 화학 분야의 응용 가능성을 약속합니다. 때로는 물리학의 서로 다른 연구 분야 사이에 예상치 못한 연결이 나타날 수 있습니다. 이는 회전하는 분자의 양자 상태의 위상학적 특성의 경우입니다. 새로운 연구에서 PhD 학생 Volker Karle, Postdoc Areg Ghazaryan 및 오스트리아 과학 기술 연구소(ISTA)의 Mikhail Lemeshko 교수는 단 두 개의 원자로 만들어진 단순한 회전 분자가 위상학적 특성을 가진 양자 상태를 나타낼 수 있음을 밝혔습니다. , 에서 일어나는 일과 유사합니다. 그래 핀 및 기타 고체 토폴로지 재료. “흥미로운 점은 회전하는 단일 분자와 수백만 개의 탄소 원자로 만들어진 그래핀의 고체 시트라는 두 시스템이 매우 다르지만 이들의 특성 중 일부는 유사한 수학으로 설명할 수 있다는 것입니다.”라고 Karle은 설명합니다. “우리는 물리화학과 고체물리학 분야 사이에 다리를 놓는 중입니다.” 세 명의 연구자는 새로운 연구 결과를 저널에 발표했습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters) (“주기적으로 발동되는 분자의 위상학적 전하”). 다양한 기하학적 변형을 적용한 도넛 다양한 기하학적 변형을 적용한 도넛입니다. 수학적 관점에서 볼 때, 도넛은 구멍이 하나만 있는 한 아무리 변형되어도 도넛으로 유지됩니다. (이미지 : ISTA)

도넛은 도넛으로 남는다

“위상학은 모양과 크기의 지속적인 변화에 영향을 받지 않는 물체의 기하학적 특성에 대한 연구입니다. 에너지와 대칭성뿐만 아니라 토폴로지로도 양자 상태를 분류할 수 있다는 사실을 깨닫는 것은 지난 수십 년 동안 고체 물리학에 대한 우리의 이해에 획기적인 진전을 가져왔습니다.”라고 Lemeshko는 설명합니다. “위상학적 특성의 간단한 예는 도넛입니다. 수학적 관점에서 볼 때 도넛은 구멍이 하나 있는 고리일 뿐입니다.”라고 Karle은 덧붙입니다. “아무리 늘리거나 쥐어짜더라도 구멍을 뚫거나 없애는 등 과감한 조치를 취하지 않는 한 도넛은 그대로 남아있습니다. 따라서 도넛이라는 속성은 모양이나 크기의 변화와 같은 '작은' 교란으로부터 위상학적으로 보호됩니다.”
토폴로지 절연체와 같은 시스템에서 이러한 토폴로지 효과는 수백만 개의 원자가 서로 상호 작용하는 효과에서 나타납니다. 그러나 Karle, Ghazaryan 및 Lemeshko는 이러한 현상이 단일 분자와 같은 훨씬 단순한 시스템에서도 발견될 수 있음을 보여주었습니다.

레이저 빛으로 분자 밀어내기

“우리가 연구하고 있는 시스템은 두 개의 원자가 서로 결합되어 형성된 단일 분자입니다.”라고 Karle은 말합니다. 연구진은 짧은 레이저 펄스에 의해 분자가 밀려 두 원자 사이의 중간점을 중심으로 회전하게 만드는 과정을 설명하는 모델을 만들었습니다. "레이저 펄스의 올바른 파장과 타이밍에서 우리는 고체 시스템에서 발견되는 것과 같이 거동하는 분자의 위상학적으로 중요하지 않은 양자 상태를 생성할 수 있습니다." 수십 년 동안 과학자들은 다양한 재료와 시스템의 위상학적 특성을 연구해 2016년 노벨상을 수상하기도 했습니다. 그러나 단순한 분자와 같은 시스템에서 이러한 특성을 찾는 것은 새로운 종류의 실험과 응용을 가능하게 합니다. Karle은 “우리는 그러한 분자의 흐름이 소스에서 발사된 다음 레이저 펄스에 부딪히는 실험을 구상하고 있습니다.”라고 상상합니다. "그런 다음 그들은 고체 시스템으로 가능한 것보다 훨씬 더 자세하게 양자 상태를 연구할 수 있는 검출기로 날아갑니다." 연구자들은 화학 분야의 새로운 응용을 위한 토대를 마련하는 향후 실험을 통해 더 많은 통찰력을 얻기를 희망합니다.

반응성 제어

이 새로운 간행물에 설명된 것과 같은 중요하지 않은 위상학적 특성은 위상적으로 보호된 양자 상태로 이어질 수 있습니다. 이는 열, 자기장 또는 재료 불순물과 같은 외부 교란에 대한 복원력이 필요한 모든 응용 분야에 특히 유용합니다. 지난 몇 년 동안 많은 연구 관심을 불러일으킨 잘 알려진 예로는 위상적 양자 비트를 기반으로 하는 양자 컴퓨터가 있습니다. 그러나 Karle과 그의 동료들이 연구하고 있는 분자는 다른 용도로 사용될 수 있습니다. Lemeshko는 "우리는 이 연구가 많은 화학 반응을 더 잘 이해할 수 있게 해주고 언젠가 이를 제어하는 ​​새로운 방법으로 이어질 수 있기를 바랍니다"라고 말했습니다. “우리는 레이저를 사용하여 필요한 만큼 다른 화학물질과의 반응성을 높이거나 낮추는 분자의 위상학적으로 보호된 양자 상태를 생성할 수 있습니다. 토폴로지 보호는 그렇지 않으면 빠르게 사라질 분자의 양자 상태를 안정화시킬 것입니다.”

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