Молекулярная лента Мёбиуса: IBM и ученые создали квантовый лабиринт для электронов

Химия и квантовая физика только что официально перешли на уровень «мы строим это, потому что можем». Команда ученых из IBM, Оксфорда, Манчестерского университета и ряда ведущих европейских институтов (ETH Zurich, EPFL, Регенсбург) сделала то, что раньше считалось теоретической экзотикой. Они синтезировали молекулу C13Cl2, которая имеет топологию Мёбиуса для электронов. Результаты работы, опубликованные в журнале Science, фактически открывают эру инженерного управления квантовыми свойствами вещества на уровне отдельных атомов.

Процесс создания C13Cl2 напоминал работу ювелира-перфекциониста с манией величия. Вместо того, чтобы смешивать реагенты в колбе и надеяться на чудо, исследователи собирали молекулу по одному атому. Используя прекурсор, разработанный в Оксфорде, ученые применяли сверхточные электрические импульсы зонда сканирующего туннельного микроскопа. Все это происходило при температуре, максимально приближенной к абсолютному нулю, чтобы атомы не разбежались от лишней энергии.

С помощью атомно-силовой микроскопии удалось подтвердить, что структура молекулы — это не просто очередное химическое соединение, а трехмерная конструкция, которой не существует в природе. Основная «фишка» здесь в топологии: электроны в этой системе ведут себя так, словно они движутся по поверхности ленты Мёбиуса, которая имеет всего одну сторону и одну границу.

Самое интересное начинается, когда мы смотрим на поведение электронов. В обычных молекулах все довольно предсказуемо, но в C13Cl2 электроны совершают поворот на 90° при каждом полном обходе структуры. Это означает, что частице нужно совершить целых четыре полных оборота, чтобы вернуться в свое исходное квантовое состояние. Такая «закрученность» позволяет молекуле существовать в трех