Die besonderen topologischen Eigenschaften einiger Materieformen werden seit Jahrzehnten erforscht. Jetzt haben Forscher des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) topologische Eigenschaften einfacher zweiatomiger Moleküle entdeckt, die durch Laserpulse in Rotation versetzt werden.
Um sie zu beschreiben, wenden die Wissenschaftler eine ähnliche Mathematik wie bei Festkörpersystemen an und schlagen so eine Brücke zwischen zwei unterschiedlichen Bereichen der Physik. Ihre Erkenntnisse versprechen mögliche Anwendungen in der Chemie.
Manchmal können unvorhergesehene Verbindungen zwischen unterschiedlichen Forschungsgebieten in der Physik entstehen. Dies ist der Fall für die topologischen Eigenschaften von Quantenzuständen in rotierenden Molekülen.
In einer neuen Studie hat Ph.D. Student Volker Karle, Postdoc Areg Ghazaryan und Professor Mikhail Lemeshko vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben nun gezeigt, dass ein einfaches rotierendes Molekül aus nur zwei Atomen Quantenzustände mit topologischen Eigenschaften aufweisen kann, ähnlich wie in Graphen und andere topologische Festkörpermaterialien.
„Das Interessante ist, dass diese beiden Systeme – ein einzelnes rotierendes Molekül und eine feste Graphenschicht aus Millionen von Kohlenstoffatomen – sehr unterschiedlich sind und dennoch einige ihrer Eigenschaften durch ähnliche Mathematik beschrieben werden können“, erklärt Karle. „Wir schlagen eine Brücke zwischen der Physikalischen Chemie und der Festkörperphysik.“
Die drei Forscher veröffentlichten ihre neuen Erkenntnisse in der Fachzeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Ein Donut bleibt ein Donut
„Topologie ist das Studium der geometrischen Eigenschaften eines Objekts, die von der kontinuierlichen Änderung seiner Form und Größe unbeeinflusst bleiben. Die Erkenntnis, dass man Quantenzustände nicht nur nach ihrer Energie und Symmetrie, sondern auch nach ihrer Topologie klassifizieren kann, führte zu einem echten Durchbruch in unser Verständnis der Festkörperphysik in den letzten Jahrzehnten“, erklärt Lemeshko.
„Ein einfaches Beispiel für eine topologische Eigenschaft wäre ein Donut. Aus mathematischer Sicht ist ein Donut nur ein Ring mit einem Loch“, fügt Karle hinzu. „Egal wie man ihn dehnt oder zusammendrückt, er bleibt ein Donut, solange man nicht so drastisch vorgeht, wie ein Loch hinzuzufügen oder zu entfernen. Die Eigenschaft, ein Donut zu sein, ist daher topologisch vor ‚kleinen‘ Störungen wie der Veränderung seiner Form geschützt oder Größe.“
In Systemen wie topologischen Isolatoren entstehen diese topologischen Effekte aus den Auswirkungen von Millionen von Atomen, die miteinander interagieren. Karle, Ghazaryan und Lemeshko haben jedoch gezeigt, dass diese Art von Phänomen auch in viel einfacheren Systemen wie einem einzelnen Molekül zu finden ist.
Anschieben eines Moleküls mit Laserlicht
„Das System, das wir untersuchen, ist ein einzelnes Molekül, das aus zwei miteinander verbundenen Atomen besteht“, sagt Karle. Die Forscher erstellten ein Modell, das beschreibt, was passiert, wenn ein solches Molekül von kurzen Laserpulsen angestoßen wird, um es um den Mittelpunkt zwischen den beiden Atomen zu drehen. „Bei genau der richtigen Wellenlänge und dem richtigen Timing der Laserpulse können wir topologisch nicht triviale Quantenzustände im Molekül erzeugen, die sich wie in Festkörpersystemen verhalten.“
Seit Jahrzehnten untersuchen Wissenschaftler die topologischen Eigenschaften vieler verschiedener Materialien und Systeme – was 2016 sogar zu einem Nobelpreis führte. Sie jedoch in einem System wie einem einfachen Molekül zu finden, ermöglicht neue Arten von Experimenten und Anwendungen.
„Wir stellen uns ein Experiment vor, bei dem ein Strom solcher Moleküle aus einer Quelle geschossen und dann mit Laserpulsen getroffen wird“, sagt Karle. „Sie fliegen dann in einen Detektor, wo wir ihre Quantenzustände viel detaillierter untersuchen können, als dies mit Festkörpersystemen möglich ist.“ Die Forscher erhoffen sich von zukünftigen Experimenten noch viele weitere Erkenntnisse, die vielleicht den Grundstein für neue Anwendungen in der Chemie legen.
Kontrolle der Reaktivität
Nicht-triviale topologische Eigenschaften, wie sie in dieser neuen Veröffentlichung beschrieben werden, könnten zu topologisch geschützten Quantenzuständen führen. Diese sind besonders interessant für alle Anwendungen, die widerstandsfähig gegen äußere Einflüsse wie Hitze, Magnetfelder oder Materialverunreinigungen sein müssen. Ein bekanntes Beispiel, das in den letzten Jahren für viel Forschungsinteresse gesorgt hat, sind Quantencomputer, die auf topologischen Quantenbits basieren.
Die Moleküle, die Karle und seine Kollegen untersuchen, würden jedoch andere Anwendungen finden. „Wir hoffen, dass diese Forschung uns ermöglicht, viele chemische Reaktionen besser zu verstehen und eines Tages zu neuen Wegen führt, sie zu kontrollieren“, sagt Lemeshko. „Wir könnten Laser verwenden, um topologisch geschützte Quantenzustände in Molekülen zu erzeugen, die ihre Reaktivität mit anderen Chemikalien ganz nach Bedarf erhöhen oder verringern. Der topologische Schutz würde den Quantenzustand des Moleküls stabilisieren, der sonst schnell verschwinden würde.“
Mehr Informationen:
Volker Karle et al, Topological Charges of Periodically Kicked Molecules, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.103202