Вчені виявили молекули, рух яких не підкоряється законам класичної фізики
Група вчених з хімічного відділу Кембриджського університету і Кавендишській лабораторії виявила те, що рух кільцеподібної молекули пиррола (pyrrole) по металевій поверхні відбувається з порушенням вікових законів класичної фізики, які визначають все, що відбувається в навколишньому світі. Використовуючи унікальні високочутливі вимірювальні методи, вчені виявили дивний факт, який полягає в тому, що закони квантової механіки, які проявляються зазвичай на рівні субатомних частинок, фактично можуть діяти і на більш високому молекулярному рівні.
Центральна частина молекули пиррола являє собою пласку пентаграму" з п'яти атомів, чотирьох атомів вуглецю і одного атома азоту. Кожен з цих атомів має зв'язок з атомом водню, які стирчать назовні молекули як спиці велосипедного колеса.
Провівши серію експериментів, вчені отримали на руки докази того, що у випадку з пирролом, квантові закони, що зачіпають нутрощі складових частин молекули, надають характерний вплив на рух молекули в цілому, роблячи його свого роду "квантовим рухом", проявом законів квантової фізики на більш високому рівні.
Ці експерименти, проведені групою, очолюваною Барбарою Лекнер (Barbara Lechner), полягали в точному вимірюванні кількості енергії, яку потрібно прикласти до молекулі пиррола для того, щоб вона змогла почати рухатися по мідній поверхні. Отримані результати вимірювань продемонстрували серйозні відхилення і невідповідності з розрахунковими величинами, що стало дорогою до відкриття квантової природи руху молекул.
У попередніх роботах вчені змогли точно встановити значення так званого "бар'єру активації руху", кількості енергії, потрібної для ослаблення зв'язків частин молекули з поверхнею, що дозволяє молекулі рухатися вздовж цієї поверхні. Точне значення було отримано методом розрахунків, в яких беруть участь електрони, які є сполучною ланкою між атомним рівнем і низьким рівнем квантової механіки. Але всі отримані вченими значення були розраховані лише тільки з точки зору класичної фізики, абсолютно не враховуючи ніяких квантових складових.
Отримані експериментальним шляхом значення бар'єру активації більш ніж в три рази більше значень, отриманих з допомогою теоретичних розрахунків, що вкрай спантеличило вчених. У пошуках відповіді на це питання вчені звернулися до розгляду квантового явища, відомого під назвою "енергія нульових коливань". У класичній фізиці рухомий об'єкт, постійно втрачає енергію, коли-небудь дійде до точки повної зупинки. Але в квантовому світі такого не станеться ніколи, в будь-якому об'єкті завжди залишається деяка кількість енергії, яку в деяких випадках неможливо виміряти, і ця енергія називається енергією нульових коливань.
Вчені фізики пов'язували поняття енергії нульових коливань максимум з законами руху окремих атомів, вважалося, що ця енергія настільки мала, що її кількості недостатньо для надання впливу на рух масивних молекул. Але тепер, вчені виявили, що квантовий світ внутрішнього руху молекули зачіпає молекулу в цілому, коли це рух долає опір поверхні, що саме по собі кидає виклик законам класичної фізики, законів, що описує рух і енергії настолко великі, щоб відчувати вплив квантових ефектів.
Вчені вважають, що ефект прояви квантової механіки на молекулярному рівні особливо виділяється у випадку молекул пиррола з-за вкрай низького значення бар'єру активації руху. Швидше всього цей ефект проявляється і у випадку з іншими молекулами, вважають вчені, але з-за високого значення бар'єру активації цей вплив практично непомітно.
"Розуміння особливостей природи молекулярного руху по металевих поверхнях має дуже велике значення у зв'язку із зусиллями по створенню великих двомірних мереж з кільцеподібних молекул, які можуть використовуватися в майбутніх оптичних, електронних і спинтроных пристроях" - пояснює доктор Стівен Дженкінс (Dr. Stephen Jenkins), керівник групи з вивчення фізики поверхонь Кембриджського університету, - "Без точних знань про події, що відбуваються на молекулярному і атомарному рівнях процесах розвиток деяких галузей науки і технологій може впертися в нездоланні бар'єри, обумовлені наявністю незрозумілих нам ефектів і обмежень".