IBM(International Business Machines Corporation)-н судалгааны төвийн баг шинэ төрлийн цагариг бүтэцтэй молекулыг бүтээсэн бөгөөд энэ нь Мёбиус туузаас ч илүү төвөгтэй мушгиралт, эргэлт бүхий бүтэцтэй аж.Шинэ төрлийн “хагас Мёбиус” молекул. Электрон үүл нь атомын цагариган бүтцийн дагуу мушгиран түгэж, улмаар квант механикийн шинэ үзэгдлүүд илрэх боломжийг бүрдүүлж байна. IBM Судалгааны төв.
IBM судалгааны төвийн эрдэмтдийн баг энэхүү молекулыг атом хоорондын холбоосуудыг нарийн түвшинд удирдан бүтээж, өндөр нарийвчлалтай микроскопын аргаар дүрсжүүлсэн байна. Судлаачид мөн IBM-ийн хамгийн сүүлийн үеийн квант компьютерын тооцоолох чадварыг ашиглан туршилтын үр дүнгээ баталгаажуулсан байна. Энэхүү судалгаа нь 2026 оны 03 сард “Science” сэтгүүлд хэвлэгдсэн. Энэ нь “топологийн” химийн салбарын хамгийн сүүлийн үеийн томоохон нээлт бөгөөд уг салбар нь cстандарт бус геометр бүхий молекулууд болон тэдгээрээс үүдэн илрэх квант механикийн шинж чанаруудыг судалдаг. Мөн энэхүү судалгааны үр дүнгээс дүгнэвэл квант компьютерыг ашиглан атомын түвшний нарийн төвөгтэй үзэгдлүүдийг судлах, загварчлах боломжтой болохыг тодорхой харуулж байна. Энэхүү судалгаанаас өмнө хагас Мёбиус төрлийн бүтцийг онолын хувьд ч дэвшүүлж байгаагүй бөгөөд өдгөө бодитойгоор хэрэгжив. Япон улсын Молекулын шинжлэх ухааны институтийн судлаач эрдэмтэн Ясүтомо Сэгэва хэлэхдээ “Ийм төрлийн молекул зөвхөн онолын түвшинд дэвшүүлэгдээд зогсохгүй синтезийн гарган авсан нь молекулын шинжлэх ухааны салбарт асар их нөлөө үзүүлнэ” хэмээн онцолжээ. IBM-н судалгааны баг уг молекулыг 2013 онд атомыг дүрслэн хийсэн A Boy and His Atom нэртэй стоп-моушн (stop-motion) киног бүтээж байсан туршлага дээр үндэслэн бүтээсэн. Энэ судалгааны баг мөн ижил нарийн үзүүлэлттэй тоног төхөөрөмж ашиглан атомыг дүрсэлж, удирдахаас гадна тодорхой химийн холбоосыг таслах, молекулаас тодорхой атомыг салгах боломжтой болсон байна. Тэд илүү бүтцийн хувьд төвөгтэй молекулаас эхлэн, үүнийг нарийн түвшинд удирдан хагас Мёбиус хэлбэрт оруулжээ. Хагас Мёбиус молекулыг ойлгохын тулд, эхлээд бүтэн Мёбиус молекулыг төсөөлж үзье. Бүтэн Мёбиус молекулын атомууд энгийн цагариг хэлбэрт байрласан байна. Топологийн онцлог нь атом бүрийн электрон үүлнээс хамаарч илэрдэг. Электрон үүл нь хоёр салаа хэсэг буюу булцан (lobe) хэлбэртэй бөгөөд дээш доош чиглэж, тухайн атомын электрон хаана байх магадлал өндөр болохыг заадаг. Атом бүрийн булцангийн тэнхлэгийн чиглэл нь хөрш атомуудынхаас ялгаатай байна. Цагариг дагуу тойрч явахад эдгээр тэнхлэгийн чиглэлүүд эргэлдэж, эцсийн атомын электрон үүлний булцан эхний атомынхаас бараг эсрэг, буюу доош чиглэсэн байрлалд очдог. Хэрэв бүх атомын дээд булцангийн дагуу алхаж байна гэж төсөөлвөл энэ нь Мёбиус тууз дээр гүйж буй шоргоолж шиг харагдах ба нэг эргэлтийн дараа анхны цэгээс доошоо харсан байрлалд очих бөгөөд хоёр эргэлтийн дараа анхны эхлэх цэг рүү очих юм. Атомын электрон үүлийг дээш доош эргүүлсэн ч тухайн электрон хаана байх магадлал бодитоор өөрчлөгддөггүй. Гэхдээ ийм мушгиралдсан замыг даган хөдөлж буй электрон ба энгийн замыг даган хөдөлж буй электрон хооронд интерференц үүснэ. Хагас Мёбиус молекул нь сонирхолтой бүтэцтэй төдийгүй электрон үүл нь хөндлөн хэлбэртэй (cross-shaped) тул тэдгээр нь бүтэн эргэлгүйгээр зөвхөн талаас нь хагас эргэж, мушгирч чаддаг байна. Үүнийг ойлгохын тул тууз төсөөлөхийн оронд хөндлөн хэлбэртэй цагариг төсөөл. Дараа нь нэг газраас нь хайчилж салга.
Одоо үүнийг 90 градус эргүүлж, дахин наагаарай. Үр дүнд нь доорх зурагт харуулсан шиг бүтэц бий болно.
Шар өнгийн туузын дээд эрмэгээс гүйж эхэлсэн шоргоолж эхлэлийн цэг рүү дөрвөн тойргийн дараа эргэн ирнэ. Энэ шоргоолжны аялал нь хагас Мёбиус молекулын электроны замтай төстэй юм. Электрон үүл нь квантын түвшинд оршдог бөгөөд тэдгээрийг дүрслэх нь нилээд төвөгтэй бөгөөд өндөр нарийвчлалтай микроскопуудыг ашигласан ч судлаачид зөвхөн бүдэг бадаг зургийг харж чадсан. Энэ электрон үүл тэдний хүссэнээр мушгирсан болохыг батлахын тулд, судлаачид IBM-ийн сүүлийн үеийн гол платформ болох квант компьютерыг ашигласан. Тэд үүнийг ашиглан молекул дотор хурдан хөдөлж буй электроныг симуляци хийж, микроскопоор хэрхэн харагдахыг дүрсэлсэн байна. Дараа нь тэд ижил молекулын энгийн, мушгиралгүй хувилбарыг адил аргаар симуляци хийжээ. Хоёр дүрсийг ажиглалтаар харьцуулснаар энэхүү молекул үнэхээр хагас Мёбиус бүтэцтэй болох нь тодорхой болсон байна. IBM багийн гишүүн Лёо Гросс “Бид энэ ер бусын молекулыг онцгой нөхцөлд бүтээсэн,” “Байгальд ийм молекул тогтвортой оршиж чадахгүй.” хэмээн онцолж хэлэв. Судлаачид IBM-ийн квант компьютер бодит нээлтэд ийм үр бүтээлтэй ашиглагдаж байгаад сэтгэл хангалуун байна. Мөн харьцуулалт хийхийн тулд тэд электроныг энгийн, “классик” компьютероор симуляци хийсэн байна. Гэсэн хэдий ч энэ тохиолдолд квант компьютерын давуу тал илт байв. Тооцоололд оролцож буй электроны тоо ихсэх эсвэл тэдний квант төлөвүүдийн тоо нэмэгдэх тусам тооцооллын ачаалал нэмэгддэг. Энэ нь классик эсвэл квант компьютер аль нь ч байсан адилхан тулгардаг асуудал юм. Гэсэн хэдий ч IBM-ийн квант компьютер төлөвүүдийг квант бит (qubit) ашиглан илэрхийлдэг тул, олон квант төлөвүүдийн суперпозицыг нэгэн зэрэг төлөөлж чаддаг. Энэ нь томоохон тооцооллыг бага зардлаар гүйцэтгэх боломжийг олгодог. Ингэснээр судалгааны баг тооцооллын нарийвчлалыг сайжруулан тодорхой нэг түвшнээс хойш үүсэх электрон үүлүүд ерөнхийдөө ижил шинжтэй болж байгааг баталж чадсан байна. Ингэснээр судлаачид микроскопоор авсан дүрсүүдийн квант механик шинж чанарыг зөв тайлбарлаж чадсан гэдэгтээ итгэлтэй болсон байна. IBM-н судлаач Ивано Тавернелли: “Энэ үр дүн квант компьютер хэр хурдан хөгжиж байгааг харуулж буй бөгөөд сүүлийн 10 жилд бид 2–4 квант битээс 100 квант бит хүртэл ахиц гарсан. Хэрэв иймэрхүү байдлаар үргэлжилбэл, цаашид бүр их боломж нээгдэнэ” гэжээ.
Зүүн талд “хагас Мёбиус” молекулын электроны орбиталиудын нягтыг Scanning tunneling microscopy (STM) аргаар авсан зураг. Баруун талд орбиталийн нягтыг квант компьютер ашиглан гаргасан симуляцийн STM зураг.
https://research.ibm.com/blog/half-mobius-molecule
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea3321
Мэдээ бэлтгэсэн: Н.Отгонзул, СТС