Naukowcom z IBM Research udało się zsyntetyzować nową strukturę molekularną nazwaną „pół-Mobiusem”, potwierdzając wcześniej teoretyczną możliwość. Ten przełom pokazuje siłę obliczeń kwantowych w badaniu i testowaniu dziwnych zjawisk kwantowych na poziomie atomowym. Badanie opublikowane w czasopiśmie Science poszerza dziedzinę chemii topologicznej, w której cząsteczki przyjmują niezwykle złożone kształty.
Zwrot w projektowaniu molekularnym
Nowo utworzona cząsteczka składa się z atomów ułożonych w pierścień, ale wyróżniają ją właściwości kwantowe. Badany na poziomie subatomowym ruch elektronów wokół pierścienia wykazuje złożone sploty przypominające bardziej skomplikowaną wersję słynnej wstęgi Möbiusa. W przeciwieństwie do tradycyjnego paska Möbiusa z pojedynczą powierzchnią i krawędzią, ta struktura „pół-Möbiusa” charakteryzuje się wyjątkowym skrętem pośrednim.
Zespół IBM osiągnął to poprzez manipulację pojedynczymi wiązaniami atomowymi, a następnie obrazowanie cząsteczki przy użyciu zaawansowanej mikroskopii. Aby potwierdzić swoje obserwacje, wykorzystali zaawansowane komputery kwantowe IBM, symulując zachowanie elektronów w celu potwierdzenia skręconej struktury.
Dlaczego to ma znaczenie: poza czystą nauką
Badania te nie polegają jedynie na stworzeniu nowej, dziwnej cząsteczki; przesuwa granice tego, co jest możliwe w naukach molekularnych. Fakt, że taką strukturę można teoretycznie zaproponować i fizycznie zsyntetyzować, jest znaczącym krokiem naprzód. Według Yasutomo Segawy, badacza z Instytutu Nauk Molekularnych w Japonii, odkrycie to będzie miało ogromny wpływ na tę dziedzinę.
Znaczenie leży we wzajemnym oddziaływaniu fizyki teoretycznej, zaawansowanej manipulacji materiałami i rosnących możliwościach obliczeń kwantowych. Cząsteczka „pół-Mobiusa” istnieje tylko w dokładnie kontrolowanych warunkach, co oznacza, że nie występuje w naturze. To sprawia, że jego powstanie jest świadectwem inżynierii ludzkiej na najbardziej podstawowym poziomie.
Jak to zrobiono: podejście krok po kroku
Zespół IBM wykorzystał swoje wcześniejsze doświadczenia w manipulowaniu atomami — zwłaszcza film poklatkowy Chłopiec i jego atom* z 2013 r. — do rozrywania i zmiany układu wiązań w istniejących cząsteczkach. Zaczęli od złożonej cząsteczki i ostrożnie przekształcili ją w formę „pół-Mobiusa”.
Aby to zilustrować: Wyobraź sobie regularny pierścień molekularny. W „pełnej” cząsteczce Möbiusa chmury elektronów wokół każdego atomu są zorientowane inaczej niż ich sąsiedzi, obracając się tak, że elektrony ostatniego atomu są prawie odwrócone w stosunku do pierwszego. „Half-Mobius” idzie dalej i obejmuje chmury elektronów w kształcie krzyża, które wirują w połowie, zamiast całkowicie się odwracać.
Obliczenia kwantowe potwierdzają tę zmianę
Ponieważ chmury elektronów są trudne do bezpośredniej wizualizacji, badacze wykorzystali komputer kwantowy do symulacji zachowania cząsteczki. Porównali te symulacje z obrazami mikroskopowymi, potwierdzając, że obserwowana struktura odpowiada przewidywaniom teoretycznym. Komputer kwantowy okazał się przydatny, umożliwiając skuteczniejsze skalowanie obliczeń niż komputery klasyczne, zwłaszcza w miarę wzrostu złożoności symulacji.
„Stworzyliśmy tę dziwną cząsteczkę w tych specjalnych warunkach” – mówi Leo Gross, członek zespołu IBM. „Nigdy nie miałyby stabilnego charakteru”. Sukces zespołu pokazuje, jak daleko zaszły obliczenia kwantowe w ciągu zaledwie dziesięciu lat, skalując od dwóch do czterech kubitów do ponad 100.
Przyszłość nauk molekularnych za pośrednictwem kwantów
Prace zespołu IBM podkreślają rosnącą synergię między obliczeniami kwantowymi i fizyką eksperymentalną. Łącząc zaawansowane techniki wytwarzania z symulacjami kwantowymi, nie tylko stworzyli unikalną cząsteczkę, ale także potwierdzili siłę obliczeń kwantowych w tej dziedzinie. W miarę ciągłego udoskonalania tych narzędzi przez badaczy dostępne mogą stać się nawet dziwniejsze i bardziej złożone struktury molekularne, otwierając nowe możliwości w naukach o materiałach i nie tylko.
Możliwość manipulowania materią na tym poziomie precyzji niewątpliwie będzie motorem przyszłych innowacji. Niezależnie od tego, czy chodzi o opracowywanie nowych materiałów, tworzenie zaawansowanych czujników, czy nawet studiowanie podstawowej fizyki, cząsteczka „pół-Mobiusa” stanowi świetny przykład tego, co jest możliwe, gdy teoria spotyka się z technologią.
