На движение молекулы могут влиять квантовые процессы

Центр молекулы пирролпиррола состоит из «плоской пентаграммы», четырёх атомов углерода и одного азота. К каждому «крепится» по одному атому водорода, так что в целом у этой пентаграммы есть ещё и «спицы».

Группа британских исследователей во главе с Барбарой Лехнер (Barbara Lechner) из Кавендишской лаборатории (физического факультета Кембриджского университета) попробовала определить энергию, необходимую для того, чтобы заставить молекулу пиррола двигаться через медную поверхность. При этом учёные выявили значительное расхождение между предсказаниями теории и полученными экспериментально цифрами.


Необходимое количество энергии для начала такого движения — «активационный барьер» — равно энергии, нужной, чтобы преодолеть взаимодействие между молекулой и металлической поверхностью. Для её расчёта сначала использовалась теория функционала плотности. Электроны в ней рассматриваются с позиций квантовой механики, в то время как значительно более массивные ядра атомов воспринимаются с позиций классической физики.

Однако в эксперименте активационный барьер для пиррола оказался втрое выше расчётных значений.

Чтобы объяснить случившееся, учёные использовали концепцию нулевых колебаний. Если в классической механике объект может терять энергию вплоть до момента, когда его можно считать практически неподвижным, в механике квантовой так никогда не происходит. Всегда остаётся некоторое количество энергии, которое часто даже нельзя обнаружить приборами, однако достаточное, чтобы слегка двигать атомы. Тем не менее всегда считалось, что для «шевеления молекулы» этого мало.

В данном случае сторонняя энергия, прилагавшаяся в эксперименте для преодоления «активационного барьера», наложилась на энергию нулевых колебаний и привела к тому, что стронуть молекулу оказывалось куда сложнее, чем предписывала классическая физика. По сути, впервые удалось наблюдать такой чисто квантовый эффект на примере относительно крупной частицы вроде молекулы.

При этом значение такой энергии нулевых колебаний, зарегистрированных экспериментально, оказалось предельно зависимым от места, занимаемого молекулой на поверхности металла. Как считают учёные, сходные элементы квантовой механики могут влиять и на поведение других молекул, а не только пиррола.


Понимание природы распространения молекул по металлической поверхности весьма актуально, поскольку именно кольцеподобные структуры на таких поверхностях сейчас рассматриваются многими исследовательскими группами как первые кандидаты для применения в новых оптических, электронных и спинтронных устройствах. Однако чтобы понять, какие именно структуры и при каких условиях будут формироваться, необходимо получить больше знаний о том, что за механизмы управляют таким распространением молекул. В этом смысле обнаружение значительной роли чисто квантовых процессов может существенно помочь в создании таких устройств.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Angewandte Chemie.

Подготовлено по материалам Кембриджского университета.