某些形式的物質(zhì)的特殊拓?fù)湫再|(zhì)已經(jīng)研究了幾十年?，F(xiàn)在，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(ISTA)的研究人員發(fā)現(xiàn)了由激光脈沖驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的簡單雙原子分子的拓?fù)涮匦浴?/p>

科學(xué)家們應(yīng)用類似的數(shù)學(xué)來描述它們，就像固體物質(zhì)系統(tǒng)一樣，從而連接了物理學(xué)的兩個(gè)不同領(lǐng)域。他們的發(fā)現(xiàn)有望在化學(xué)中得到可能的應(yīng)用。

有時(shí)，物理學(xué)中不同的研究領(lǐng)域之間可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見的聯(lián)系。旋轉(zhuǎn)分子中量子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)就是這種情況。

在一項(xiàng)新的研究中，來自奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(ISTA)的博士生Volker Karle，博士后Areg Ghazaryan和Mikhail Lemeshko教授現(xiàn)在揭示了僅由兩個(gè)原子制成的簡單旋轉(zhuǎn)分子可以具有拓?fù)湫再|(zhì)的量子態(tài)，類似于石墨烯和其他固態(tài)拓?fù)洳牧现邪l(fā)生的情況。

“有趣的是，這兩個(gè)系統(tǒng) - 一個(gè)單一的旋轉(zhuǎn)分子和一個(gè)由數(shù)百萬個(gè)碳原子制成的固體石墨烯片 - 是非常不同的，然而，它們的一些性質(zhì)可以用類似的數(shù)學(xué)來描述，”Karle解釋說。“我們正在物理化學(xué)和固體物理領(lǐng)域之間架起一座橋梁。

這三位研究人員在《物理評論快報(bào)》雜志上發(fā)表了他們的新發(fā)現(xiàn)。

甜甜圈保持甜甜圈

“拓?fù)鋵W(xué)是對物體的幾何特性的研究，這些幾何特性不受其形狀和大小的連續(xù)變化的影響。意識到人們不僅可以通過能量和對稱性，還可以通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對量子態(tài)進(jìn)行分類，這導(dǎo)致了我們在過去幾十年中對固態(tài)物理學(xué)的理解的真正突破，“Lemeshko解釋說。

“拓?fù)鋵傩缘囊粋€(gè)簡單例子是甜甜圈。從數(shù)學(xué)的角度來看，甜甜圈只是一個(gè)帶孔的環(huán)，“Karle補(bǔ)充道。“無論你如何拉伸或擠壓它，只要你不做任何像添加或刪除孔這樣劇烈的事情，它就仍然是一個(gè)甜甜圈。因此，甜甜圈的特性在拓?fù)渖鲜艿奖Ｗo(hù)，免受'小'干擾，如改變其形狀或大小。

在拓?fù)浣^緣體等系統(tǒng)中，這些拓?fù)湫?yīng)來自數(shù)百萬個(gè)原子相互作用的影響。然而，Karle，Ghazaryan和Lemeshko已經(jīng)表明，這種現(xiàn)象也可以在更簡單的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，如單個(gè)分子。

用激光推動(dòng)分子

“我們正在研究的系統(tǒng)是由兩個(gè)原子結(jié)合在一起形成的單個(gè)分子，”Karle說。研究人員創(chuàng)建了一個(gè)模型，描述了這種分子被短激光脈沖推動(dòng)以使其圍繞兩個(gè)原子之間的中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生什么。“在激光脈沖的正確波長和時(shí)間下，我們可以在分子中創(chuàng)建拓?fù)渖戏瞧椒驳牧孔討B(tài)，其行為類似于固態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的量子態(tài)。

幾十年來，科學(xué)家們一直在研究許多不同材料和系統(tǒng)的拓?fù)涮匦?，甚至?016年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。然而，在像簡單分子這樣的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)它們允許新的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。

“我們正在設(shè)想一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中這些分子流從源中射出，然后被激光脈沖擊中，”Karle說。“然后它們飛入探測器，在那里我們可以比固態(tài)系統(tǒng)更詳細(xì)地研究它們的量子態(tài)。研究人員希望從未來的實(shí)驗(yàn)中獲得更多的見解，也許為化學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

控制反應(yīng)性

非平凡的拓?fù)湫再|(zhì)，如這本新出版物中描述的拓?fù)湫再|(zhì)，可能導(dǎo)致拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子態(tài)。對于任何需要抵御外部干擾(如熱、磁場或材料雜質(zhì))的應(yīng)用來說，這些都特別有趣。在過去幾年中引起了許多研究興趣的一個(gè)著名例子是基于拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔佑?jì)算機(jī)。

然而，Karle和他的同事正在研究的分子會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的應(yīng)用。“我們希望這項(xiàng)研究將使我們能夠更好地了解許多化學(xué)反應(yīng)，并可能有一天導(dǎo)致控制它們的新方法，”Lemeshko說。“我們可以使用激光在分子中產(chǎn)生拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子態(tài)，這些量子態(tài)可以根據(jù)需要增加或減少它們與其他化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)性。拓?fù)浔Ｗo(hù)將穩(wěn)定分子的量子態(tài)，否則分子會(huì)很快消失。