Científicos de varias universidades han creado una molécula inédita con una topología electrónica única, validada mediante simulaciones cuánticas, lo que abre nuevas posibilidades en química y computación cuántica.
Un equipo internacional de científicos, que incluye a investigadores de IBM, la Universidad de Manchester, la Universidad de Oxford, ETH Zurich, EPFL y la Universidad de Regensburg, ha logrado crear y caracterizar una molécula sin precedentes. Esta innovadora estructura molecular presenta un comportamiento electrónico inusual: sus electrones se desplazan en un patrón en espiral que transforma radicalmente su comportamiento químico.
El hallazgo fue publicado en la revista Science, marcando la primera observación experimental de una topología electrónica tipo medio-Möbius en una sola molécula. Hasta ahora, no se había sintetizado, observado ni formalmente predicho una molécula con tal topología.
Para comprender el comportamiento de esta molécula a nivel estructural electrónico, los científicos utilizaron simulaciones cuánticas de alta fidelidad. Este descubrimiento representa un avance significativo en dos frentes: para la química, demuestra que la topología electrónica —la propiedad que rige cómo se mueven los electrones a través de una molécula— puede ser diseñada intencionadamente, en lugar de ser simplemente un fenómeno natural.
En palabras de Alessandro Curioni, investigador principal y vicepresidente de IBM Research Zurich, “primero diseñamos una molécula que creíamos posible, luego la construimos y validamos sus propiedades exóticas con una computadora cuántica”. Este trabajo representa un paso hacia el sueño del físico Richard Feynman sobre construir computadoras capaces de simular la física cuántica con precisión.
Dr. Igor Ronc?evic?, coautor del estudio y profesor en la Universidad de Manchester, destacó que “la química y la física del estado sólido avanzan al encontrar nuevas formas de controlar la materia”. Su investigación muestra que la topología puede servir como un nuevo grado de libertad para manipular las propiedades materiales.
A medida que los electrones interactúan entre sí dentro de esta nueva molécula, C??Cl?, se producen comportamientos complejos y entrelazados. Simular estas interacciones es extremadamente complicado para las computadoras clásicas; sin embargo, las computadoras cuánticas están diseñadas para representar estos sistemas directamente gracias a su naturaleza cuántica.
La molécula C??Cl? fue ensamblada átomo por átomo en IBM utilizando un precursor personalizado sintetizado en la Universidad de Oxford. Los átomos fueron eliminados uno a uno mediante pulsos eléctricos calibrados bajo condiciones extremas de vacío y temperaturas cercanas al cero absoluto.
Las técnicas empleadas, como la microscopía por túnel y la microscopía de fuerza atómica, junto con simulaciones cuánticas, revelaron una configuración electrónica única: su estructura experimenta un giro de 90 grados con cada circuito completo, requiriendo cuatro bucles completos para regresar a su fase inicial.
Esta topología medio-Möbius no solo es distinta cualitativamente a cualquier otra conocida hasta ahora, sino que también permite cambiar reversiblemente entre estados torcidos en sentido horario, antihorario y deshechos. Esto demuestra que la topología electrónica puede ser diseñada deliberadamente bajo condiciones específicas.
A través del uso de computadoras cuánticas dentro del flujo de trabajo científico, el equipo descubrió órbitas moleculares helicoidales para el acoplamiento electrónico, lo cual es característico de esta nueva topología medio-Möbius. Además, las simulaciones ayudaron a desentrañar el mecanismo detrás de esta formación inusual: un efecto pseudo-Jahn-Teller helicoidal.
Este logro se inscribe dentro del legado histórico de IBM en ciencia a escala nanométrica. La invención del microscopio por túnel (STM) por parte de IBM en 1981 permitió imágenes superficiales átomo por átomo y llevó al Nobel a Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en 1986. Desde entonces, IBM ha continuado desarrollando métodos para manipular átomos individuales y construir estructuras moleculares cada vez más exóticas.
La investigación fue publicada en Science
Título completo: A molecule with half-Möbius topology