SENZACIONALNO Tim s Hrvatom na čelu stvorio molekulu koja uopće ne bi trebala postojati!

Međunarodni tim znanstvenika uspio je stvoriti i potvrditi postojanje molekule toliko bizarne strukture da se njezino postojanje donedavno nije smatralo ni teoretski mogućim. Riječ je o prvom promatranju takozvane polu-Möbiusove elektronske topologije, oblika koji prkosi intuiciji, a čiju je složenu prirodu bilo moguće dokazati tek uz pomoć kvantnog računala. Ovo postignuće, objavljeno u prestižnom časopisu Science ne samo da pomiče granice kemije, već i potvrđuje viziju fizičara Richarda Feynmana o korištenju kvantnih sustava za razumijevanje same prirode, piše Gizmodo.

Jedan od ključnih ljudi koji je sudjelovao u ovom nevjerojatnom pothvatu je dr. Igor Rončević s mančesterskog Sveučilišta.

Oblik koji prkosi logici

Kako bi se razumjela neobičnost ove molekule, pomaže prisjetiti se poznate Möbiusove vrpce. To je traka koja ima samo jednu stranu i jedan rub, a nastaje tako da se krajevi trake spoje nakon što se jedan od njih zarotira za 180 stupnjeva.

Kukac koji bi hodao po njezinoj površini morao bi napraviti dva puna kruga da bi se vratio na početnu točku. Znanstvenici su sada stvorili nešto još čudnije.

Novosintetizirana molekula, formule C₁₃Cl₂, posjeduje "polu-Möbiusovu" strukturu. Njezine elektronske orbitale, područja u kojima se elektroni najvjerojatnije nalaze, zakreću se za 90 stupnjeva sa svakim obilaskom prstena.

To znači da bi hipotetskom "kvantnom kukcu" bila potrebna čak četiri puna kruga kako bi se vratio u svoje početno stanje. Takva topologija do sada nije viđena ni predviđena u svijetu molekula.

Stvaranje ovakvog molekularnog čuda nije bio jednostavan proces. Tim znanstvenika iz IBM-a, Sveučilišta u Manchesteru, Oxforda i drugih institucija konstruirao ga je doslovno atom po atom. Koristeći prekursorsku molekulu sintetiziranu na Oxfordu, istraživači u IBM-ovom laboratoriju u Zürichu upotrijebili su skenirajući tunelski mikroskop (STM) kako bi preciznim naponskim impulsima "čupali" atome jedan po jedan.

Cijeli se proces odvijao u ekstremnim uvjetima, u ultravisokom vakuumu i na temperaturama blizu apsolutne nule, jer molekula u prirodi ne bi bila stabilna. Riječ je o tehnici koju je IBM usavršavao desetljećima, a koja je sada omogućila inženjering materije na razini pojedinačnih atoma.

Nakon što su uspjeli sastaviti molekulu i snimiti je pomoću mikroskopa atomske sile (AFM), znanstvenici su se suočili s novim izazovom: kako dokazati da mutna slika elektronskog oblaka doista predstavlja polu-Möbiusovu topologiju? Tu su klasična računala pokazala svoja ograničenja. Elektroni unutar molekule stupaju u iznimno složene, isprepletene interakcije. Točno modeliranje takvog ponašanja zahtijeva računalnu snagu koja raste eksponencijalno sa svakim novim elektronom.

Današnja superračunala mogu precizno simulirati sustave s otprilike 18 elektrona. Za potpunu analizu ove molekule bilo je potrebno pratiti interakcije čak 32 elektrona, što je za klasične metode bio nepremostiv zid.

Kvantni skok u nepoznato

Rješenje je stiglo u obliku IBM-ovog kvantnog računala. Za razliku od klasičnih računala koja kvantnu mehaniku mogu samo aproksimirati, kvantna računala rade prema istim zakonima koji upravljaju elektronima u molekulama.

Ona "govore" istim jezikom kao i materija koju proučavaju. Koristeći napredni algoritam nazvan SqDRIFT na kvantnom procesoru sa stotinu kubita, tim je uspio simulirati elektronsku strukturu molekule.

Rezultati simulacije savršeno su se poklopili s eksperimentalnim podacima, čime je postojanje polu-Möbiusove molekule nedvojbeno potvrđeno. Štoviše, kvantna simulacija otkrila je i mehanizam odgovoran za nastanak ove bizarne topologije, takozvani helijski pseudo-Jahn-Tellerov efekt.

‌- Kemija i fizika čvrstog stanja napreduju pronalaženjem novih načina za kontrolu materije. Naš rad danas pokazuje da topologija također može poslužiti kao stupanj slobode koji se može mijenjati, otvarajući novi moćan put za kontrolu svojstava materijala - izjavio je dr. Igor Rončević s mančesterskog Sveučilišta, jedan od autora studije.

Ovo otkriće fascinantno je i zbog činjenice da molekula nije statična. Znanstvenici su pokazali da pomoću naponskih pulseva mogu reverzibilno mijenjati njezino stanje između desno zakrenute, lijevo zakrenute i potpuno "izravnate", topološki trivijalne konfiguracije. To dokazuje da topologija nije samo pasivno svojstvo koje otkrivamo u prirodi, već nešto što možemo aktivno projektirati i kontrolirati. Ovaj proboj otvara vrata razvoju novih kvantnih senzora i naprednih materijala za buduće tehnologije.