Исследователи разработали искусственную, контролируемую систему, которая может имитировать условия, при которых возникает эффект селективности спина, вызванный хиральными взаимодействиями, что, возможно, изменит наш подход к изучению квантового транспорта.
Концептуальное изображение квантовой спирали.
Николай Лищишин/iStock
Объединив принципы физики, химии и биологии, ученые создали специальную программируемую платформу для исследования одной из самых загадочных квантовых загадок нашего времени: почему электроны, по-видимому, выбирают сторону при прохождении через определенные скрученные молекулы.
Это поведение, известное как эффект селективности спина, вызванного хиральным воздействием (CISS), сбивает с толку исследователей уже более двух десятилетий. Оно проявляется в таких биологических процессах, как фотосинтез и клеточное дыхание, однако никто до конца не понимает, как и почему это происходит.
Теперь исследователи из Питтсбургского университета спроектировали искусственную, контролируемую систему, которая может имитировать условия, при которых происходит этот странный эффект. Их подход может изменить то, как мы изучаем квантовый транспорт, а также может помочь нам разрабатывать новые материалы для электроники, энергетики и даже медицины.
«Прелесть нашего подхода не в том, что он в точности имитирует химию или биологию, а в том, что он позволяет нам изолировать и изучать отдельные процессы, которые имеют отношение к хиральному квантовому транспорту», — сказал Франсуа Дамане, физик и один из членов исследовательской группы.
Рисование квантовых спиралей для раскрытия электронных секретов
В конце 1990-х годов ученые Рон Нааман и Дэвид Вальдек сделали удивительное открытие. Когда электроны проходят через пленки хиральных (скрученных) молекул, то, насколько легко они могут двигаться, определяется их спином, который является квантовым свойством. Вместо небольшого заметного эффекта они увидели спин-зависимые изменения до 20 процентов, результат, который ошеломил научное сообщество.
С тех пор эффект CISS возникал в различных биологических системах, но исследователи не смогли точно определить его механизм. Это связано с тем, что реальные биологические молекулы сложны. Они мягкие, гибкие, постоянно движутся и окружены водой, и все это делает практически невозможным выделить роль только хиральности.
Вот тут-то и появляется новая платформа. Исследователи не пытались воссоздать биологию. Вместо этого они построили чистую, программируемую игровую площадку для электронов. Используя технологию, разработанную в 2008 году, они работали со специальным материалом, изготовленным из слоев алюмината лантана (LaAlO3) и титаната стронция (SrTiO3).
Используя микроскопическую ручку с тонким наконечником, они могли рисовать пути, по которым могут перемещаться электроны. Чтобы сделать эти пути хиральными, они ввели хитрый поворот: зонд не только двигался волнистым, змеевидным образом по поверхности, но и его напряжение также модулировалось вверх и вниз синхронно. Эта комбинация создавала спиралевидные каналы, которые нарушали зеркальную симметрию, ключевой ингредиент хиральности.
Эти искусственные хиральные волноводы были не просто красивыми формами. Когда электроны протекали через них, возникали удивительные квантовые эффекты. Команда увидела необычные образцы проводимости и даже наблюдала, как электроны объединялись в пары способами, которые не должны были быть возможны в сильных магнитных полях.
Теоретические модели предполагали, что спиральная геометрия создает своего рода искусственное спин-орбитальное взаимодействие, которое фиксирует спин электронов в направлении их движения, точно так же, как некоторые теории предполагали для эффекта CISS в молекулах.
Что делает эту платформу такой мощной, так это то, что она полностью программируема. Исследователи могут изменять форму, размер и силу хиральных узоров, стирать их и записывать новые, и все это на одном устройстве. «Мы можем систематически изменять такие параметры, как высота тона, амплитуда и сила связи хиральных модуляций — что невозможно с фиксированными структурами», — сказал Даманет.
Программируемая платформа не похожа ни на что другое
Эта новая платформа не пытается копировать молекулы атом за атомом. Вместо этого она дает ученым то, чего у них никогда не было: точный контроль. В биологических системах все беспорядочно — молекулы шевелятся, среда смещается, а вибрации мешают измерениям.
Однако на этой программируемой платформе каждая переменная может быть изменена независимо, что позволяет исследователям проверить, как именно хиральность влияет на квантовый транспорт. Это может помочь разрешить давние споры о том, являются ли спин-орбитальные взаимодействия, молекулярные вибрации или другие механизмы движущей силой эффекта CISS.
Хотя система работает при сверхнизких температурах и использует неорганические материалы, она закладывает основу для будущих гибридных установок, которые могли бы сочетать эти твердотельные инструменты с реальными молекулами.
Команда уже изучает способы объединения своей платформы с органическими материалами или углеродными нанотрубками и даже проведения экспериментов при более высоких температурах. Цель состоит не в том, чтобы заменить биологические исследования, а в том, чтобы работать вместе с ними, подобно тому, как аэродинамические трубы помогают инженерам тестировать конструкции самолетов перед реальными полетами.
В случае успеха этот подход может помочь ученым не только решить головоломку CISS, но и понять другие сложные квантовые системы. Он может вдохновить на создание новых материалов для спинтроники, где спин электрона используется в вычислениях, или направить разработку эффективных катализаторов и биоэнергетических устройств.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Sourse: interestingengineering.com
