JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»

Когда молекулы облучают инфракрасным светом, они начинают вибрировать под действием энергии. Для Андреаса Хаузера из Института экспериментальной физики Технологического университета Граца это хорошо известное явление стало отправной точкой для размышлений о том, можно ли использовать эти колебания для генерации магнитного поля.

Это связано с тем, что ядра атомов заряжены положительно, а когда заряженная частица движется, создается магнитное поле. На примере металлических фталоцианинов — кольцеобразных плоских молекул красителей — Андреас Хаузер и его команда рассчитали, что благодаря своей высокой симметрии эти молекулы действительно генерируют крошечные магнитные поля в нанометровом диапазоне, когда на них воздействуют инфракрасные импульсы. Согласно расчетам, можно измерить довольно низкую, но очень точно локализованную напряженность поля с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

Исследователи опубликовали результаты в Journal of the American Chemical Society.

Круговой танец молекул

Для расчетов команда использовала предварительные наработки, сделанные на заре лазерной спектроскопии, некоторые из которых были десятилетней давности, и применила современную теорию электронной структуры на суперкомпьютерах Венского научного кластера и университета Граца, чтобы рассчитать поведение молекул фталоцианина при облучении их циркулярно поляризованным инфракрасным светом.

Оказалось, что циркулярно поляризованные, то есть спирально закрученные световые волны возбуждают одновременно два молекулярных колебания под прямым углом друг к другу.

Как известно каждой танцующей румбу паре, правильная комбинация движений вперед-назад и влево-вправо создает небольшую замкнутую петлю. И это круговое движение каждого затронутого атомного ядра фактически формирует магнитное поле, но только очень локально, с размерами в несколько нанометров, — говорит Андреас Хаузер.

Молекулы как схемы в квантовых компьютерах

Избирательно манипулируя инфракрасным светом, можно даже контролировать силу и направление магнитного поля, объясняет Андреас Хаузер. Это превратит молекулы в высокоточные оптические переключатели, которые, возможно, также можно будет использовать для создания схем квантовых компьютеров.

Эксперименты как следующий шаг

Вместе с коллегами из Института физики твердого тела ТУ Граца и командой из Университета Граца Андреас Хаузер теперь хочет экспериментально доказать, что молекулярные магнитные поля можно генерировать контролируемым образом.

Для доказательства, а также для будущих применений, молекулу фталоцианина необходимо поместить на поверхность. Однако это меняет физические условия, что, в свою очередь, влияет на светоиндуцированное возбуждение и характеристики магнитного поля, — объясняет Андреас Хаузер.

Поэтому мы хотим найти такой материал, который оказывал бы минимальное влияние на желаемый механизм.

На следующем этапе физик и его коллеги хотят рассчитать взаимодействие между осажденными фталоцианинами, материалом поддержки и инфракрасным светом, а затем проверить наиболее перспективные варианты в экспериментах.

11.06.2024