周期性踢分子的拓扑电荷

某些形式的物质的特殊拓扑性质已经研究了几十年。现在，奥地利科学技术研究所(ISTA)的研究人员发现了由激光脉冲驱动旋转的简单双原子分子的拓扑特性。

科学家们应用类似的数学来描述它们，就像固体物质系统一样，从而连接了物理学的两个不同领域。他们的发现有望在化学中得到可能的应用。

有时，物理学中不同的研究领域之间可能会出现不可预见的联系。旋转分子中量子态的拓扑性质就是这种情况。

在一项新的研究中，来自奥地利科学技术研究所(ISTA)的博士生Volker Karle，博士后Areg Ghazaryan和Mikhail Lemeshko教授现在揭示了仅由两个原子制成的简单旋转分子可以具有拓扑性质的量子态，类似于石墨烯和其他固态拓扑材料中发生的情况。

“有趣的是，这两个系统 - 一个单一的旋转分子和一个由数百万个碳原子制成的固体石墨烯片 - 是非常不同的，然而，它们的一些性质可以用类似的数学来描述，”Karle解释说。“我们正在物理化学和固体物理领域之间架起一座桥梁。

这三位研究人员在《物理评论快报》杂志上发表了他们的新发现。

甜甜圈保持甜甜圈

“拓扑学是对物体的几何特性的研究，这些几何特性不受其形状和大小的连续变化的影响。意识到人们不仅可以通过能量和对称性，还可以通过拓扑结构对量子态进行分类，这导致了我们在过去几十年中对固态物理学的理解的真正突破，“Lemeshko解释说。

“拓扑属性的一个简单例子是甜甜圈。从数学的角度来看，甜甜圈只是一个带孔的环，“Karle补充道。“无论你如何拉伸或挤压它，只要你不做任何像添加或删除孔这样剧烈的事情，它就仍然是一个甜甜圈。因此，甜甜圈的特性在拓扑上受到保护，免受'小'干扰，如改变其形状或大小。

在拓扑绝缘体等系统中，这些拓扑效应来自数百万个原子相互作用的影响。然而，Karle，Ghazaryan和Lemeshko已经表明，这种现象也可以在更简单的系统中发现，如单个分子。

用激光推动分子

“我们正在研究的系统是由两个原子结合在一起形成的单个分子，”Karle说。研究人员创建了一个模型，描述了这种分子被短激光脉冲推动以使其围绕两个原子之间的中点旋转时会发生什么。“在激光脉冲的正确波长和时间下，我们可以在分子中创建拓扑上非平凡的量子态，其行为类似于固态系统中发现的量子态。

几十年来，科学家们一直在研究许多不同材料和系统的拓扑特性，甚至在2016年获得了诺贝尔奖。然而，在像简单分子这样的系统中发现它们允许新的实验和应用。

“我们正在设想一个实验，其中这些分子流从源中射出，然后被激光脉冲击中，”Karle说。“然后它们飞入探测器，在那里我们可以比固态系统更详细地研究它们的量子态。研究人员希望从未来的实验中获得更多的见解，也许为化学领域的新应用奠定基础。

控制反应性

非平凡的拓扑性质，如这本新出版物中描述的拓扑性质，可能导致拓扑保护的量子态。对于任何需要抵御外部干扰(如热、磁场或材料杂质)的应用来说，这些都特别有趣。在过去几年中引起了许多研究兴趣的一个著名例子是基于拓扑量子比特的量子计算机。

然而，Karle和他的同事正在研究的分子会发现不同的应用。“我们希望这项研究将使我们能够更好地了解许多化学反应，并可能有一天导致控制它们的新方法，”Lemeshko说。“我们可以使用激光在分子中产生拓扑保护的量子态，这些量子态可以根据需要增加或减少它们与其他化学物质的反应性。拓扑保护将稳定分子的量子态，否则分子会很快消失。

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