Физики научились управлять вращением отдельных молекул европия

Физики из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США сообщили, что теперь могут вращать одну молекулу в разные стороны с заданным углом. Ключевой компонент — один атом европия, редкоземельного элемента, который расположен в центре комплексного соединения из других нанокомпонентов. Профессор физики Со Вай Хла рассказал, что перед командой учёных изначально стояла задача — понять свойства редкоземельных элементов на уровне атомов.


Со Вай Хла сообщил, что исследователи теперь могут повернуть молекулярный комплекс европия на 60 или 120 градусов в том или ином направлении. И пояснил, что способность управлять движением такого редкоземельного комплексного соединения может повлиять на широкий спектр технологий. Возможность вращения молекулы европия по требованию может расширить его применение в микроэлектронике следующего поколения, а также в квантовых компьютерах. И эти новые устройства будут работать с более низким уровнем энергопотребления.

Ключевые компоненты комплексного соединения — один атом европия с положительным зарядом и две небольшие молекулы с отрицательным зарядом. Атом европия находится в центре комплекса, в то время как одна из меньших молекул находится сбоку, а другая внизу. Поскольку противоположности притягиваются, эти отрицательные и положительные заряды удерживают компоненты вместе без необходимости в химической связи. А меньшая молекула внизу закрепляет комплекс на листе золота. Этот лист играет роль стола, чтобы удерживать всё комплексное соединение в одном месте. В бытовом сравнении, точно так же, как плоская твёрдая поверхность нужна, чтобы вращать бутылку.


— Со Вай Хла, физик из Центра наноразмерных материалов (CNM) Министерства сельского хозяйства США в Аргонне и профессор физики в Университете Огайо.

Две отрицательно заряженные молекулы в комплексе работают вместе, действуя как блок управления. Чтобы запустить вращение, команда подала электроэнергию в определённую точку комплекса через наконечник сканирующего туннельного микроскопа. В исследовании говорится, что используемый зонд не только контролирует вращение, но и может визуализировать процесс для изучения.

При температуре в 100 Кельвинов (минус 173,15 по Цельсию) полученное комплексное соединение постоянно вращается. Вращение прекращается, когда учёные снижают температуру до ультрахолодных 5 К, то есть до −268,15 °C. Подача тока запускает желаемое вращение на 60 или 120 градусов, по часовой стрелке или против часовой стрелки, в зависимости от того, куда направлено электрическое поле.

Редкоземельные элементы легко соединяются с другими «участниками» таблицы Менделеева в земной коре. То есть получать чистые редкоземельные элементы для гаджетов сложно и дорого. Также дорого извлекать их из соответствующих отходов. Термин «редкоземельный» обманчив. Редкоземельные элементы не столько редкие, сколько сложные для извлечения. Но это важное сырьё для многих электронных устройствах: сотовых телефонов, жёстких дисков ПК, солнечных панелей и мониторов с плоским экраном. В отчёте об исследовании учёные сообщили, что европиевый комплекс новой разработки уменьшит количество редкоземельных элементов, необходимых для устройств, то есть удешевит массовое производство.