De topologie van roterende moleculen

De topologie van roterende moleculen

Tijdstempel: 10 maart 2023 8:31 uur
Bronknooppunt: 2005858
10 maart 2023 (Nanowerk Nieuws) De eigenaardige topologische eigenschappen van sommige vormen van materie worden al tientallen jaren onderzocht. Nu hebben onderzoekers van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) topologische eigenschappen ontdekt van eenvoudige diatomische moleculen die door laserpulsen tot rotatie worden aangedreven. De wetenschappers passen vergelijkbare wiskunde toe om ze te beschrijven als voor systemen met vaste materie, waardoor ze twee verschillende natuurkundige gebieden overbruggen. Hun bevindingen beloven mogelijke toepassingen in de chemie. Soms kunnen onvoorziene verbanden ontstaan ​​tussen ongelijksoortige onderzoeksgebieden in de natuurkunde. Dit is het geval voor de topologische eigenschappen van kwantumtoestanden in roterende moleculen. In een nieuwe studie hebben promovendus Volker Karle, postdoc Areg Ghazaryan en professor Mikhail Lemeshko van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) nu onthuld dat een eenvoudig roterend molecuul gemaakt van slechts twee atomen kwantumtoestanden kan vertonen met topologische eigenschappen. , vergelijkbaar met wat er in gebeurt grafeen en andere topologische materialen in vaste toestand. "Het interessante is dat deze twee systemen - een enkel roterend molecuul en een solide laag grafeen gemaakt van miljoenen koolstofatomen - heel verschillend zijn en toch kunnen sommige van hun eigenschappen worden beschreven met vergelijkbare wiskunde", legt Karle uit. "We slaan een brug tussen de velden van de fysische chemie en de vaste-stoffysica." De drie onderzoekers publiceerden hun nieuwe bevindingen in het tijdschrift Physical Review Letters ("Topologische ladingen van periodiek geschopte moleculen"). Een donut onder verschillende geometrische transformaties Een donut onder verschillende geometrische transformaties. Vanuit een wiskundig perspectief blijft de donut een donut, hoe vervormd hij ook is, zolang hij maar één gaatje heeft. (Afbeelding: ISTA)

Een donut blijft een donut

“Topologie is de studie van de geometrische eigenschappen van een object die niet worden beïnvloed door de voortdurende verandering van vorm en grootte. Het besef dat je kwantumtoestanden niet alleen kunt classificeren op basis van hun energie en symmetrie, maar ook op basis van hun topologie, leidde de afgelopen decennia tot een echte doorbraak in ons begrip van de fysica van de vaste stof', legt Lemeshko uit. “Een eenvoudig voorbeeld van een topologische eigenschap is een donut. Vanuit een wiskundig perspectief is een donut gewoon een ring met één gaatje”, voegt Karle toe. “Het maakt niet uit hoe je hem uitrekt of samenknijpt, het blijft een donut zolang je niets zo drastisch doet als het toevoegen of verwijderen van een gaatje. De eigenschap een donut te zijn wordt daarom topologisch beschermd tegen 'kleine' verstoringen zoals het veranderen van vorm of grootte.”
In systemen zoals topologische isolatoren komen deze topologische effecten voort uit de effecten van miljoenen atomen die met elkaar interageren. Karle, Ghazaryan en Lemeshko hebben echter aangetoond dat dit soort fenomenen ook voorkomen in veel eenvoudigere systemen, zoals een enkel molecuul.

Een molecuul voortduwen met laserlicht

"Het systeem dat we bestuderen is een enkel molecuul gevormd door twee aan elkaar gebonden atomen", zegt Karle. De onderzoekers creëerden een model dat beschrijft wat er gebeurt in zo'n molecuul dat door korte laserpulsen wordt voortgeduwd om het rond het middelpunt tussen de twee atomen te laten draaien. "Met precies de juiste golflengte en timing van de laserpulsen kunnen we topologisch niet-triviale kwantumtoestanden in het molecuul creëren die zich gedragen als die in vastestofsystemen." Al tientallen jaren bestuderen wetenschappers de topologische eigenschappen van veel verschillende materialen en systemen, wat zelfs leidde tot een Nobelprijs in 2016. Het vinden ervan in een systeem zoals een eenvoudig molecuul maakt echter nieuwe soorten experimenten en toepassingen mogelijk. "We stellen ons een experiment voor waarbij een stroom van dergelijke moleculen uit een bron wordt geschoten en vervolgens wordt geraakt met laserpulsen", stelt Karle zich voor. "Ze vliegen dan in een detector waar we hun kwantumtoestanden veel gedetailleerder kunnen bestuderen dan wat mogelijk is met solid-state systemen." De onderzoekers hopen uit toekomstige experimenten nog veel meer inzichten op te doen die misschien de basis leggen voor nieuwe toepassingen in de chemie.

Reactiviteit beheersen

Niet-triviale topologische eigenschappen, zoals beschreven in deze nieuwe publicatie, kunnen leiden tot topologisch beschermde kwantumtoestanden. Deze zijn vooral interessant voor elke toepassing die bestand moet zijn tegen externe verstoringen zoals hitte, magnetische velden of materiële onzuiverheden. Een bekend voorbeeld dat de afgelopen jaren veel onderzoeksinteresse heeft gekregen, zijn kwantumcomputers op basis van topologische kwantumbits. De moleculen die Karle en zijn collega's bestuderen, zouden echter verschillende toepassingen vinden. "We hopen dat dit onderzoek ons ​​in staat zal stellen veel chemische reacties beter te begrijpen en op een dag kan leiden tot nieuwe manieren om ze te beheersen", zegt Lemeshko. "We zouden lasers kunnen gebruiken om topologisch beschermde kwantumtoestanden te creëren in moleculen die hun reactiviteit met andere chemicaliën verhogen of verlagen, precies zoals we het nodig hebben. De topologische bescherming zou de kwantumtoestand van het molecuul stabiliseren, die anders snel zou verdwijnen.”

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk