⭐ נקודות עיקריות
- חוקרי IBM ואוניברסיטאות מובילות יצרו לראשונה מולקולה בעלת מבנה אלקטרוני מסוג חצי-מיוביוס
- המולקולה הורכבה אטום אחר אטום באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק על משטח מבודד.
- הצוות השתמש במחשב קוונטי של IBM כדי לסמלץ ולאשר את התכונות הייחודיות של המבנה החדש.
- הפיתוח סולל דרך להנדסת חומרים קוונטיים בעלי תכונות מגנטיות ואלקטרוניות מתקדמות.
חוקרי חברת IBM וחוקרים ממספר אוניברסיטאות, הכריזו כי הצליחו ליצור מולקולת “חצי-מיוביוס” – חומר קוונטי חדש מבוסס פחמן, המאופיין בענן אלקטרונים שמתפתל ב-90 מעלות בכל סיבוב, ונבנה שכבה אחר שכבה ברמה האטומית.
בפועל, הפיתוח מהווה הוכחה מעשית לכך שניתן להנדס חומרים חדשים ברמת האטום הבודד, תוך שימוש במחשוב קוונטי כדי להבין מבנים אלקטרוניים מורכבים שמחשבים קלאסיים מתקשים לפענח.
המשמעות היא הדגמה ראשונה לכך שניתן לעצב את מבנה האלקטרונים של מולקולות בצורה מבוקרת, צעד שעשוי בעתיד להוביל לפיתוח חומרים קוונטיים חדשים עבור אלקטרוניקה, חיישנים או מחשוב קוונטי.
הכירו את המולקולה החדשה וטופולוגיית חצי-מיוביוס
כדי להבין את הפיתוח, יש להסתכל על מבנה של מולקולות רגילות, בהן ענן האלקטרונים יוצר טבעת פשוטה ושטוחה.
לעומת זאת, במולקולות מסוג מיוביוס, הענן מתפתל ב-180 מעלות, בדומה לטבעת מיוביוס (wiki), כך שהאלקטרון הופך את הקיטוב שלו לאחר סיבוב אחד של המולקולה.
המולקולה החדשה, המורכבת מ-13 אטומי פחמן ושני אטומי כלור ( C13Cl2), מציגה פיתול של 90 מעלות בלבד.
משמעות הדבר היא שהמערכת חוזרת למצב המקורי שלה רק לאחר ארבעה סיבובים מלאים, ולא לאחר סיבוב אחד כפי שקורה במולקולות רגילות – תכונה חריגה שמעידה על טופולוגיה חדשה, מה שיוצר סיווג אלקטרוני חדש לחלוטין בעולם הכימיה.
בנייה ושליטה ברמת האטום
המולקולה לא נוצרה בתהליך כימי רגיל במבחנה, אלא נבנתה אטום אחר אטום על גבי שכבה מבודדת של מלח מעל משטח זהב.
החוקרים השתמשו במיקרוסקופ מנהור סורק (STM) כדי להסיר אטומי כלור בזה אחר זה באמצעות פולסים חשמליים מבוקרים, עד לקבלת המבנה הרצוי.
מעבר לכך, הצוות הוכיח שליטה מלאה במבנה שנוצר. החוקרים הצליחו להעביר את המולקולה באופן הפיך בין שלושה מצבים: פיתול ימני, פיתול שמאלי ומצב שטוח רגיל.
מעברים אלו התאפשרו על ידי שינוי המתח החשמלי, מה שמעיד כי הטופולוגיה ניתנת להנדסה ולשליטה אקטיבית.
סימולציה קוונטית לפתרון בעיות מורכבות
הבנת ההתנהגות של מערכות מולקולריות כה מורכבות מהווה אתגר עצום עבור כלי חישוב מסורתיים.
כדי לפענח את התכונות האלקטרוניות של המולקולה, החוקרים השתמשו באלגוריתם בשם SqDRIFT שרץ על גבי מעבד קוונטי מסוג IBM Heron.
הסימולציה הקוונטית אישרה את התחזיות התיאורטיות וחשפה כי שינוי הטופולוגיה נובע מאפקט המכונה פסאודו ג’אן-טלר (pseudo-Jahn-Teller).
לדברי החוקרים, השימוש במחשב קוונטי כאן לא היה רק הדגמת יכולת, אלא כלי מדעי חיוני לפירוש נתונים ניסיוניים אמיתיים שמחשבי-על קלאסיים מתקשים לעבד.
מה המשמעות של המולקולה החדשה
השילוב בין ייצור ברמת האטום לבין סימולציה קוונטית פותח דלתות לחקר חומרים חדשים.
בעתיד, טכניקות אלו עשויות לסייע בפיתוח רשתות מולקולריות וחומרים בעלי תכונות מגנטיות, אלקטרוניות וקוונטיות מתקדמות, שיוטמעו בטכנולוגיות הדור הבא.
