Una molécula completamente nueva, nunca antes observadaen el que los electrones se mueven a lo largo de una trayectoria helicoidal similar a una cinta de Möbius. Es el resultado de una investigación internacional liderada por IBM junto con Universidad de Mánchester, Universidad de Oxford, ETH Zúrich, EPFL Y Universidad de Ratisbona.
El descubrimiento, publicado el Cienciarepresenta la primera observación de una topología electrónica de medio Möbius en una sola molécula. En otras palabras, los electrones no se distribuyen alrededor de la molécula de la forma tradicional, sino que siguen una trayectoria helicoidal que cambia profundamente las propiedades electrónicas y químicas del sistema.
Según los investigadores es una configuración nunca antes sintetizada, observada o predicha formalmente. Comprender el comportamiento electrónico de esta molécula también requirió herramientas computacionales avanzadas: simulaciones cuánticas de alta fidelidad realizadas con tecnologías supercomputación cuántica.
“Es un paso importante hacia la visión formulada hace décadas por Richard Feynman: crear una computadora capaz de simular la física cuántica”, afirmó Alessandro CurioniIBM Fellow y director de IBM Research Zurich. «Este resultado acerca aún más ese objetivo y abre nuevas posibilidades para explorar la materia y sus fenómenos más complejos».
Una molécula sin precedentes
La molécula, con fórmula. C₁₃Cl₂fue construido átomo a átomo en los laboratorios de IBM a partir de un precursor sintetizado en la Universidad de Oxford.
Para crearlo, los investigadores utilizaron técnicas de manipulación atómica extremadamente precisas, eliminando átomos individuales mediante pulsos de voltaje calibrados con gran precisión. El experimento se llevó a cabo en condiciones de vacío ultra alto y temperaturas cercanas al cero absolutoentornos indispensables para controlar el comportamiento de los electrones a escala molecular.
Los análisis realizados con microscopía de túnel Y microscopía de fuerza atómicajunto con simulaciones cuánticas, revelaron una configuración electrónica completamente nueva.
Los orbitales electrónicos muestran de hecho una estructura que gira 90 grados para cada ciclo y requiere cuatro rotaciones completas para volver a la fase inicial. Este arreglo particular se llama topología electrónica de medio Möbiusuna configuración nunca antes observada en una molécula.
Otra característica interesante es que esta topología puede ser regulado reversiblemente. De hecho, la estructura electrónica puede adoptar tres estados diferentes: girada en el sentido de las agujas del reloj, girada en el sentido contrario a las agujas del reloj o no girada.
Esto significa que el topología electrónica podría convertirse en un nuevo parámetro de diseño en química molecular en el futuro.
A la izquierda la imagen experimental de la densidad orbital electrónica de la mitad de la molécula de Möbius; a la derecha la simulación STM de la misma estructura obtenida mediante cálculo cuántico. Imagen: Investigación de IBM.
El papel de la supercomputación cuántica
Comprender el comportamiento electrónico de la molécula C₁₃Cl₂ ha puesto de relieve las limitaciones de los sistemas informáticos tradicionales. Los electrones, de hecho, muestran interacciones altamente enredadoen el que cada partícula influye simultáneamente en todas las demás.
Simular con precisión un sistema de este tipo con computadoras clásicas requeriría una potencia computacional cada vez mayor.
EL computadoras cuánticassin embargo, operan según las mismas leyes de la mecánica cuántica que gobiernan a los electrones y, por tanto, permiten una representación directa de estos fenómenos. Hablan, en otras palabras, el mismo lenguaje cuántico de la materia para el que están diseñados.
En el paradigma de supercomputación cuánticael unidad de procesamiento cuántico (QPU) Trabajan junto con CPU y GPU tradicionales. El sistema analiza problemas complejos y asigna cada parte del procesamiento a la arquitectura más adecuada.
Gracias a este enfoque los investigadores pudieron identificar Orbitales moleculares helicoidales para sumar electrones.una firma distintiva de la topología mitad de Möbius.
Las simulaciones cuánticas también han permitido explicar el origen del fenómeno observado, rastreándolo a un efecto pseudo-Jahn-Teller de naturaleza helicoidal.
Por qué este descubrimiento es importante
La investigación muestra por primera vez que el Se puede diseñar la topología electrónica de una molécula. y no sólo se observa en los sistemas naturales.
De cara al futuro, la capacidad de controlar la forma de los orbitales electrónicos podría abrir nuevas vías en el diseño de materiales con propiedades completamente nuevas.
Entre las posibles aplicaciones se encuentran materiales cuánticos avanzados, dispositivos de espintrónica, electrónica molecular y sistemas capaces de controlar el transporte de carga y espín con gran precisión.
Esto no es sólo una curiosidad de laboratorio. Si esta arquitectura electrónica puede reproducirse y controlarse en sistemas más complejos, el descubrimiento podría convertirse en una nueva herramienta para diseñar materiales y dispositivos con propiedades que antes se consideraban fuera de su alcance.