Двухпротонный бит, управляемый одним атомом меди

 Только один примесный атом, расположенный в непосредственной близости от молекулы, может изменить пространственное расположение ее атомов. В эффектном эксперименте международная команда исследователей смогла изменить устойчивые положения ядер атомов водорода в молекуле порфицена, приблизив к ней один атом меди.

Субатомный бит, образованный двумя протонами, осуществляющими туннельный переход внутри простой органической молекулы, можно переключать приближая один атом меди к молекуле. Эффектный эксперимент, демонстрирующий это явление, был проведен группой исследователей из Института Фрица Хабера (FHI) в Берлине, Ливерпульского университета (UL) и Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве.

В исследовании ученые использовали специфические свойства молекулы порфицена. Порфицен (C₂0H₁₄N₄) является производной порфирина. Химические вещества, принадлежащие к этой группе, встречаются в природе. Они встречаются, например, в крови человека, где участвуют в реакциях, связанных с транспортом кислорода. Их молекулы имеют форму плоских углеродных колец с атомами водорода снаружи и четырьмя атомами азота внутри, расположенными в углах четырехугольника.

В центре молекулы порфицена, в пустом пространстве, окруженном атомами азота, есть два протона, которые могут перемещаться между атомами азота. Интересно, что оба протона всегда смещаются вместе. Исследования, проведенные на протяжении десятилетия командой проф. Яцека Валука (Jacek Waluk) в IPC PAS, предполагают, что движение протонов это не просто перемещение в пространстве. Протоны изменяют свои позиции благодаря эффекту квантового туннелирования.

В лаборатории FHI молекулы порфицена, предоставленные группой проф. Валука, были осаждены по-отдельности на поверхности совершенного кристалла меди. Задание не было легким и требовало разработки соответствующих методик – без них молекулы порфицена, как правило, образуют группы (агрегаты).

Следующим шагом были эксперименты в высоком вакууме и при очень низкой температуре (5 K). Одна молекула порфицена, находящаяся на медной подложке, наблюдалась с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Прибор позволял регистрировать изменения электронной плотности молекулы, и, таким образом, наблюдать изменения ее формы. Полученные с помощью этой техники изображения позволяли определить текущие позиции обоих протонов. Таким образом исследователи смогли наблюдать за движением атомов внутри молекулы в ходе химической реакции.

«Мы были в значительной степени удивлены, обнаружив, что после осаждения на медной подложке ионы водорода в молекуле порфицена образовали конфигурацию, которая никогда не наблюдалась ранее, несмотря на многие годы исследований этого соединения. Вместо того чтобы находится в противоположных углах четырехугольника, образованного атомами азота, оба протона заняли позиции рядом друг с другом. Совершенно неожиданно мы нашли новый таутомер порфицена!», - прокомментировал проф. Валук.

В последующих экспериментах с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа один атом меди придвигался ближе к молекуле порфицена с разных сторон. Оказалось, что в зависимости от положения атома меди оба протона в порфицене, перемещаясь между атомами азота, располагались либо на одной стороне молекулы, либо на другой. Таким образом, молекула порфицена действовала как двухпозиционный коммутатор, управляемый только одним атомом меди.

Результаты исследования показывают, что при определенных условиях окружающая среда молекул может контролироваться с атомной точностью. С другой стороны, обнаруженная чувствительность к изменениям в окружающей среде открывает путь для разработки методов регулирования процессов, происходящих в отдельных молекулах.

«Вполне вероятно, что найденная нами чувствительность молекулы к своему ближайшему окружению, обычное явление в природе. Оно может быть использовано, например, при разработке наномашин для обработки информации на уровне в одиночных молекул», - резюмировал проф. Валук.

Два протона (красный) в молекуле порфицена, осажденной на поверхность идеального кристалла меди (коричневый), могут изменять свои позиции на атомах азота (синий) в зависимости от положения одного атома меди (желтый)