חוקרים יצרו סוג חדש של מבנה קוונטי אלקטרוני במולקולה מלאכותית

המולקולה החדשה מסוג חצי מביוס, שנבנתה אטום אחר אטום, חשפה מחלקה חדשה של חומר קוונטי, והובנה בעזרת שילוב של ניסוי מתקדם ומחשוב קוונטי

צוות חוקרים של ענקית המחשוב IBM, בשיתוף מדענים מאוניברסיטת מובילות באירופה, הצליח ליצור מולקולה חדשה שלא נצפתה או נחזתה באופן רשמי מעולם. המבנה יוצא הדופן של המולקולה נבחן ואומת בסיוע המחשב הקוונטי של IBM.

התגלית הייתה פרי שיתוף פעולה בין צוות של חוקרים מ-IBM בשיתוף מדענים מאוניברסיטת אוקספורד ואוניברסיטת מנצ'סטר בבריטניה, ומהמוסדות הטכנולוגיים המובילים בשוויץ: ETH Zurich ו-EPFL  ומאוניברסיטת רגנסבורג בגרמניה.

במחקר שפורסם ב־Science מדווחים חוקרים על יצירת המולקולה הראשונה שמציגה טופולוגיה אלקטרונית של חצי־מביוס, צורה חדשה של חומר קוונטי שלא הוצעה קודם לכן אפילו כתיאוריה. המולקולה נבנתה אטום אחר אטום, ולצורך הבנת ההתנהגות האלקטרונית שלה השתמש הצוות בגישת מחשוב קוונטית־מרכזית, המשלבת בין מערכות קלאסיות למערכות קוונטיות.

המחקר מפגיש למעשה בין שני רעיונות מפורסמים של ריצ'רד פיינמן. בשנת 1959 הוא דיבר על האפשרות להנדס חומר אטום אחר אטום. כעבור שני עשורים הוא הוסיף כי הטבע איננו קלאסי, ולכן כדי לדמות אותו באמת יש צורך במערכות קוונטיות. העבודה החדשה ממחישה את שני הרעיונות גם יחד: גם יצירה מבוקרת של חומר ברמה האטומית, וגם שימוש במחשב קוונטי כדי לפרש את תכונותיו.

טופולוגיה היא תחום מתמטי הבוחן את תכונות המבנה ואת אופן הקישור בין חלקיו. בדרך כלל, כאשר עוקבים אחר האורביטלים האטומיים במולקולה טבעתית, חוזרים לאותה נקודת התחלה לאחר הקפה אחת. זהו מבנה טופולוגי רגיל. אולם במבנה דמוי רצועת מביוס, יש פיתול של חצי סיבוב, ולכן יש צורך בשתי הקפות כדי לשוב לנקודת ההתחלה.

במולקולה החדשה, החוקרים הצליחו ליצור מצב מורכב עוד יותר. ענן האלקטרונים משלים סיבוב מלא רק לאחר ארבע הקפות מלאות, כאשר הפאזה האלקטרונית מסתובבת ב־90 מעלות בכל הקפה. התוצאה היא טופולוגיית חצי־מביוס, שמגדירה מחלקה אלקטרונית חדשה ושונה מן הטופולוגיות המולקולריות המוכרות עד כה.

אחד ההיבטים המרשימים ביותר במחקר הוא שהמערכת אינה קבועה במצב אחד. החוקרים הראו שאפשר להעביר את המולקולה בצורה הפיכה בין מצב חצי־מביוס ימני, מצב חצי־מביוס שמאלי ומצב טופולוגי רגיל. כלומר, הטופולוגיה אינה תכונה פסיבית של המולקולה, אלא משהו שאפשר להנדס, לשלוט בו ולשנותו.

המולקולה עצמה, שנוסחתה C₁₃Cl₂, הורכבה ב־IBM Research Europe בציריך באמצעות מיקרוסקופיית גישוש סורקת, על שכבת בידוד דקה מעל זהב, בטמפרטורות מעט מעל האפס המוחלט. שלושה כלים מרכזיים ממורשת המחקר של IBM אפשרו את ההישג הזה: המיקרוסקופ המנהר הסורק (STM), שיטות להזזת אטומים בודדים, ומיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM).

STM, שהומצא ב־1981 במעבדות IBM בציריך, אפשר לראשונה לחקור משטחים ברמת האטום היחיד, והביא לממציאיו פרס נובל בפיזיקה. במחקר הנוכחי הוא שימש למיפוי האורביטלים המולקולריים. בשנת 1989 פותחה באותן מעבדות גם טכניקה אמינה להזזת אטומים בודדים, והפעם השתמשו בה כדי לבנות את המולקולה וגם כדי להעביר אותה בין הטופולוגיות השונות. AFM, שזכה אף הוא בהכרה בינלאומית, שימש כאן לקביעה מדויקת של הגאומטריה המולקולרית.

אלא שהרכבת מולקולה כה מורכבת היא רק חלק מן האתגר. המערכת האלקטרונית שלה מציגה קורלציות קוונטיות חזקות ואופי רב־ייחוסי, כלומר מצב שבו לא ניתן לתאר את התנהגות האלקטרונים באופן מלא באמצעות שיטות קלאסיות רגילות. שיטות פוסט־הארטרי־פוק כמו Quantum Monte Carlo, ‏CASSCF, ‏CASPT2, ‏CCSD, ‏CCSD(T) ו־Selective CI אמנם הרחיבו מאוד את גבולות החישוב הקלאסי, אך במקרה הזה מרחב המצבים גדל במהירות אקספוננציאלית והופך את הבעיה למאתגרת במיוחד.

לכן אימץ הצוות גישה חישובית שונה מהיסוד. החוקרים הפעילו אלגוריתם בשם SqDRIFT, אלגוריתם לדיאגונליזציה קוונטית מבוססת דגימה, על מערכת מחשוב קוונטית־מרכזית. כך הם חקרו מרחב פעיל גדול בהרבה מזה שניתן לגשת אליו באמצעות דיאגונליזציה קלאסית ישירה. התכנסות התוצאות אומתה בחישובים שבוצעו על עד 100 קיוביטים במעבד IBM Heron.

המטרה לא הייתה להציג ביצועי חומרה לשמם, אלא לפענח את המבנה האלקטרוני של חומר קוונטי חדש שסונתז בפועל. הסימולציות הקוונטיות חשפו את מקור המעבר בין הטופולוגיות, אפקט המכונה helical pseudo-Jahn-Teller, כלומר שינוי במבנה האלקטרוני הנובע מן הגאומטריה המפותלת של המולקולה. הן גם אישרו את קיומו של אורביטל מולקולרי מפותל לקליטת אלקטרון, שנחשב לסימן היכר של טופולוגיית חצי־מביוס.

במילים אחרות, המחשב הקוונטי לא שימש כאן כהדגמה תיאורטית על דוגמה פשוטה, אלא ככלי מדעי לפירוש נתוני ניסוי אמיתיים. זהו צעד חשוב בהפיכת המחשוב הקוונטי לכלי מחקר בכימיה קוונטית. לפי החוקרים, SqDRIFT אינו מיועד עדיין להחליף את הכלים הקלאסיים, אלא להשלים אותם. הוא מצטרף לארגז הכלים הפוסט־הארטרי־פוק, אך נשען על פרדיגמה חישובית שונה לגמרי. יתרונו עשוי להתברר במיוחד עם הופעתם של דורות חדשים של מחשבים קוונטיים, שיאפשרו לטפל במולקולות בעלות מרחבים פעילים גדולים.

משמעות המחקר אינה רק במולקולה החדשה או באלגוריתם החדש, אלא במפגש ביניהם. מצד אחד, ניסויים ברמת האטום יוצרים צורות חדשות של חומר קוונטי. מצד אחר, חישוב קוונטי מספק דרך טבעית לחזות ולהסביר את התנהגותן. כך הניסוי והסימולציה מחזקים זה את זה: המעבדה מייצרת חומר חדש, והמחשב הקוונטי מסייע להבין אותו.

החוקרים רואים בכך מימוש מעשי של החזון של פיינמן. כיום כבר יש בידינו כלים להנדס מולקולות אטום אחר אטום, ולצדם כלים קוונטיים לחקר אותן מערכות. אם הטבע קוונטי, הרי שסימולציה באמצעות מערכות קוונטיות אינה רק אפשרות עתידית, אלא הדרך הטבעית להבנתו.

"השלב הראשון היה לתכנן מולקולה שלדעתנו ניתן יהיה ליצור. לאחר מכן בנינו אותה, ולבסוף אימתנו אותה ואת תכונותיה החריגות באמצעות מחשב קוונטי", אמר ד"ר אלסנדרו קוריוני, מנהל המחקר של  יבמ באירופה ואפריקה ומנהל מעבדת המחקר המרכזית לקוונטום של IBM בציריך. "מדובר בצעד משמעותי לעבר החזון שהציג לפני עשרות שנים הפיזיקאי הנודע ריצ'רד פיינמן, לבנות מחשב שיוכל לדמות בצורה הטובה ביותר את חוקי הפיזיקה הקוונטית. הצלחת המחקר הזה היא צעד נוסף בדרך לחזון הזה, ופותחת את הדלת לדרכים חדשות לחקור את עולמנו ואת החומר שמרכיב אותו".

כיתוב תמונה:

כותרת: חוקרים יצרו את מולקולת חצי־מביוס הראשונה בעולם
כותרת משנה:
תגים: מחשוב קוונטי, כימיה קוונטית, IBM, מולקולות, טופולוגיה, חומר קוונטי, ננוטכנולוגיה, Science
ביטוי מפתח: מולקולת חצי־מביוס
נרדפים: חצי־מביוס, מולקולה טופולוגית, חומר קוונטי חדש, כימיה קוונטית, סימולציה קוונטית, IBM Quantum, אורביטלים מולקולריים, טופולוגיה אלקטרונית
SLUG: first-half-mobius-molecule-quantum-simulation

הצעה לכיתוב תמונה נוסף: משמאל: תמונת STM של צפיפות האורביטל האלקטרוני במולקולת חצי־מביוס החדשה; מימין: הדמיית STM של אותה צפיפות אורביטלית, שנוצרה באמצעות מחשב קוונטי של IBM. קרדיט: IBM Research ואוניברסיטת מנצ'סטר.