Квантовый компьютер IBM помог ученым синтезировать новую молекулу, где электроны движутся как по ленте Мёбиуса

Ученые из ведущих научных центров Европы и США совершили прорыв в области молекулярной физики. Международный коллектив, в который вошли специалисты IBM Research, британских Манчестерского и Оксфордского университетов, швейцарских ETH Zurich и EPFL, а также немецкого Университета Регенсбурга, впервые искусственно создал химическое соединение с аномальной организацией электронных орбиталей. Ключевая особенность новой молекулы заключается в том, что движение электронов происходит не по традиционным замкнутым орбитам, а по спиралевидной траектории. Столь нетипичное поведение заряженных частиц радикально трансформирует реакционную способность вещества, открывая перспективы для разработки материалов с программируемыми свойствами. Отчёт о достижении размещён в авторитетном издании Science.

Новая молекула, получившая химическую формулу C₁₃Cl₂, стала первым задокументированным примером вещества с полумёбиусной электронной топологией. Электронная конфигурация этого соединения совершает поворот на 90 градусов при каждом цикле движения. Для возврата электронов в исходную фазу требуется четыре полных контура. Благодаря своему строению, молекула может выступать в роли своеобразного «трансформера»: она способна скручиваться по часовой стрелке, против часовой стрелки или полностью распрямляться, обратимо меняя свою форму.

Чтобы получить молекулу с заданными свойствами, ученые провели уникальную операцию. Сначала в Оксфорде синтезировали более сложную молекулу-заготовку. Затем её переместили в установку IBM, где создали условия, максимально приближенные к космосу — вакуум и почти абсолютный ноль температуры. С помощью точнейших электрических импульсов специалисты «отщепили» от заготовки ненужные атомы, собрав таким образом целевое соединение C₁₃Cl₂. Каждый шаг контролировался мощными микроскопами, способными различать мельчайшие детали вплоть до одного атома.

Из-за сложного характера взаимодействия 32 электронов внутри молекулы их поведение было невозможно смоделировать на классических компьютерах, предел точного расчета которых составляет 18 электронов. Взаимовлияние частиц вызывает экспоненциальный рост вычислительной нагрузки. Для анализа исследователи задействовали квантовый компьютер IBM, интегрированный в единый рабочий процесс с классическими центральными (CPU) и графическими (GPU) процессорами.

Благодаря моделированию на квантовом компьютере ученым удалось зафиксировать необычные спиралевидные орбитали молекул. Исследователи разобрались в природе возникновения этой электронной структуры и дали ей название «спиральный псевдоэффект Яна-Теллера». Как пояснил Алессандро Куриони, возглавляющий исследовательский центр IBM в Цюрихе, работа велась в три этапа: сначала специалисты создали теоретическую базу, затем синтезировали молекулу в лаборатории, а после подтвердили расчеты экспериментально с помощью квантовой платформы.

Данная научная работа подтверждает два факта. Во-первых, электронная топология, определяющая характер движения электронов в веществе, может быть целенаправленно спроектирована искусственным путем, а не только обнаружена в природе. Во-вторых, продемонстрирована практическая способность квантовых систем напрямую моделировать сложное поведение глубоко запутанных многоэлектронных структур.

Источник:phys.org