A régi, 100 éve meghaladott elméletek még azt feltételezték, hogy az atomokban és molekulákban az elektronok pályákon keringenek, mint a bolygók. Ez az elmélet aztán gyorsan megdőlt, és azt gondoltuk, hogy az elektronok hullámfüggvénye stabil, ismert orbitálalakokat vesz fel. Az senki nem gondolta eddig, hogy egyetlen molekulán belül extrém, fél‑Möbius topológiájú, csavarodó elektronállapot létrejöhet.
A kvantummechanika szerint az elektron nem egy olyan golyó, ahogy anno a fizikakönyvek ábrázolták és nem is egy körpályán mozog, hanem hullámként viselkedik. Nem lehet megmondani, hogy hol van, csak azt, hogy hol lehet nagy valószínűséggel és nem követ sem egyenes, sem körpályát. Az atomokban az elektronok meghatározott alakú felhőkben vannak és a legtöbb esetben hullámfüggvényük gyűrűs szimmetriát mutat. Ezért mondjuk, hogy körben mozognak, de ez nem valódi körpálya, hanem inkább egy folytonos felhő.
Teljesen új, még hasznosabb anyagok jöhetnek létre
Egy nemzetközi kutatócsoport, amely kutatókat hozott össze az IBM-től, a Manchesteri Egyetemről, az Oxfordi Egyetemről, az ETH Zürichről, az EPFL-ről és a Regensburgi Egyetemről különleges felfedezést tett. Kísérleti környezetben azonosítottak egy fél‑Möbius elektronikus topológiát egyetlen molekulán belül – egy olyan kvantumállapotot, amelyet korábban még csak nem is sejtettek.
Ez azt jelenti, hogy egy speciálisan épített molekulában az elektronfelhő nem csak gyűrűs, hanem csavarodik, mint egy dugóhúzó, minden körben 90°‑ot fordul és csak négy kör után tér vissza az eredeti állapotába. A Science folyóiratban megjelent eredmény mérföldkő a kémiában és a kvantumszámításban egyaránt. Alessandro Curioni, az IBM kutatója és a zürichi labor igazgatója elmondta, hogy először terveztek és megalkottak egy molekulát, majd egy kvantumszámítógéppel igazolták a létezését és különleges tulajdonságait. A C₁₃Cl₂ molekulát atomról atomra építették fel az IBM kutatói, egy Oxfordból származó speciális prekurzorból kiindulva. Közel abszolút nulla hőmérsékleten, rendkívül precíz feszültségimpulzusokkal távolítottak el egyes atomokat a felszínről, így hozva létre egy eddig példátlan háromdimenziós szerkezetet. A pásztázó alagút- és atomerő-mikroszkópos vizsgálatok során igazolták, hogy a molekula elektronjai különös csavarodást mutatnak.
Ez a furcsa topológia ráadásul manuálisan kapcsolható: az elektronikus szerkezet átállítható óramutató járásával megegyező, ellentétes vagy éppen csavarodásmentes állapotba. Ez bizonyítja, hogy az elektronikus topológia nem csupán a természet ajándéka – tudatosan is irányítható.
A molekula megépítése csak a feladat egyik fele volt. A megértéséhez kvantumszámítógépre volt szükség, mivel az elektronok kölcsönhatásai mélyen összefonódottak, és klasszikus számítógépekkel gyakorlatilag kezelhetetlenek. A kvantumszámítógépek viszont ugyanazokat a szabályokat követik, mint maguk az elektronok.
Az IBM kvantumhardverével a kutatók feltárták a szokatlan viselkedés mögötti mechanizmust: egy helikális pszeudo Jahn–Teller‑hatást. A Jahn–Teller‑hatás egy klasszikus kvantumkémiai jelenség, amely szerint ha két elektronállapot túl közel van egymáshoz, a molekula elcsavarodik, elnyúlik vagy elferdül, hogy stabilabb legyen. A helikális pszeduo Jahn-Teller határ szerint nem teljesen azonos energiájú állapotok keverednek, mégis létrejön némi torzulás, viszont nem szimplán torzul, hanem topológiailag csavarodik.
A fél‑Möbius elektronállapot eddig nem létezett a tudományban – még csak nem is jósolták meg. Ez olyan, mintha találtak volna egy újfajta elektronviselkedést, ami teljesen más szabályok szerint működik. Ha az elektronok topológiája kapcsolható, akkor olyan anyagokat lehet tervezni, amelyek gyorsabban vezetik az áramot vagy éppen kevesebb energiát veszítenek hő formájában. A fizika hatalmas áttöréseiről korábban itt is írtunk.
