Ученые компании IBM, совместно с исследователями из Уорикского университета (University of Warwick), впервые в истории удалось синтезировать и сделать снимки очень «хитрой» молекулы вещества под названием триангулен (triangulene, C22H12), известного еще под названием углеводород Клэра, которое существовало только в теории с 1953 года. Следует отметить, что молекулы триангулена являются столь сильно химически активными, что они могут существовать в исходном виде только в течение очень короткого времени. А предметом особого интереса к триангулену со стороны ученых являются некоторые необычные магнитные свойства молекул этого вещества, которые можно использовать в технологиях квантовых вычислений и квантовых коммуникаций.
Молекула триангулена (triangulene, C22H12)
© University of Warwick
Синтез молекул триангулена производился учеными при помощи достаточно нетрадиционного метода, вместо химического синтеза ученые использовали острый наконечник комбинированного атомно-силового и туннельного сканирующего микроскопа. Действуя этим наконечником как скальпелем, ученые удалили два атома водорода из молекулы исходного вещества. А для разрыва химических связей использовался поток высокоэнергетических электронов, «туннелирующих» под воздействием высокого напряжения, приложенного к наконечнику микроскопа.
Дополнительные измерения, проведенные при помощи того же микроскопа, показали, что все основные свойства молекулы триангулена практически полностью соответствуют теоретическим расчетным значениям. А снимки плоской молекулы триангулена, состоящей из шести «сплавленных» друг с другом бензольных колец, были получены при помощи наконечника микроскопа, на острие которого была помещена молекула угарного газа. И результаты сканирования молекулы сразу преподнесли ученым некоторые приятные сюрпризы.
«В случае изучения некоторых свободных сигма-радикалов мы неоднократно замечали, что их свободные электроны практически всегда образуют связи с атомами меди, из которой изготовлено основание» — рассказывает Аниш Мистри (Anish Mistry), ученый из Уорикского университета, — «И в данном случае мы были сильно удивлены тем, что свободные электроны триангулена, который также относится к свободным радикалам, не соединились с атомами меди. Мы считаем, что это произошло от того, что свободные электроны в этой молекуле делокализованы».
Именно эти свободные делокализованные электроны и делают молекулу триангулена особо интересной для ученых. В классической физике заряженная частица, перемещающаяся в пространстве, обладает угловым моментом и создает вокруг себя магнитное поле. С точки зрения квантовой механики такая же частица может обладать, а может и не обладать квантовым угловым моментом, называемым спином. В большинстве молекул обычных углеводородов все электроны связаны попарно и их угловые моменты взаимно компенсируют друг друга. Наличие вращающихся несвязанных электронов в молекуле триангулена приводит к появлению необычных магнитных явлений на молекулярном квантовом масштабе.
Квантовые магнитные свойства триангулена и других подобных молекул будут сохраняться в среде различных химических соединений, в широком диапазоне различных условий, таких, как давление, температура и т.п.
Поэтому ученые считают, что такие молекулы, заключенные в графеновые наноленты, могут стать в будущем основой спинтронных устройств или выступать в качестве битов (кубитов) квантовых компьютеров.
Источник: dailytechinfo.org
Группа ученых из Пенсильванского университета стала первой, кому удалось вырастить образцы нового уникального двухмерного материала, толщина которого равна трем атомам и который называется дителлурид вольфрама. В отличие от более изученных двухмерным материалов, дителлурид вольфрама обладает тем, что называется топологическим электронным состоянием. Это, в свою очередь, означает, что материал может обладать сразу несколькими различными электронными свойствами, а не одним, как другие материалы.
Теория, определяющая то, что двухмерные материалы могут обладать топологическими электронными состояниями, была разработана не так давно Чарльзом Кэйном (Charles Kane) и Кристофером Х. Брауном (Christopher H. Browne), профессорами из Пенсильванского университета. И сейчас, после того, как группе профессора Джеймса Киккоа (James Kikkawa) удалось синтезировать первые образцы дителлурида вольфрама и измерить их свойства, эта теория получила практическое подтверждение.
Новый материал был получен при помощи метода химического осаждения из парообразной фазы. Ученые использовали трубчатую печь, в которую был помещен вольфрамовый чип. Когда все это было нагрето до необходимой температуры, внутрь печи был закачан газ, содержащий атомы теллура.
Дителлурид вольфрама очень быстро разрушается на открытом воздухе, но ученым удалось найти способ защитить его на время, достаточное для изучения его свойств. Первым открытием стало то, что новый материал растет кристаллами прямоугольной формы, а не треугольной, как некоторые другие материалы.
«Поскольку дителлурид вольфрама имеет структуру, толщиной в три атома, отдельные его участки могут быть устроены немного по-разному» — пишут исследователи, — «Эти три атома могут быть смещены друг относительно друга на разные расстояния, и это определяет разницу между свойствами отдельных участков материала».
Еще одним из свойств дителлурида вольфрама есть то, что он является топологическим изоляторам. Это, в свою очередь, означает, что любой электрический ток, текущий через материал, движется только по граничным слоям материала, а не по всему объему, как это происходит в обычных металлах. Это удивительное свойство можно использовать для управления распространением электрического тока, направляя его строго по заданному пути.
В настоящее время ученые научились выращивать достаточно большие пленки дителлурида вольфрама, что позволит в ближайшем будущем более тщательно изучить все свойства материала. И, способность этого материала иметь сразу несколько свойств станет очень полезной для области квантовых вычислений, которые производятся на уровне отдельных атомов и субатомных частиц.
Источник: dailytechinfo.org