IBM i istraživači s nekoliko sveučilišta stvorili egzotičnu molekulu

Međunarodni tim znanstvenika iz IBM-a, Sveučilišta u Manchesteru, Sveučilišta Oxford, ETH Züricha, EPFL-a i Sveučilišta u Regensburgu stvorio je i okarakterizirao molekulu kakva dosad nije bila poznata. Njezini elektroni kroz strukturu putuju po obrascu nalik vadičepu, što temeljno mijenja njezino kemijsko ponašanje.

Riječ je o prvom eksperimentalnom opažanju polu-Möbiusove elektroničke topologije u jednoj molekuli. Koliko je znanstvenicima poznato, molekula s takvom topologijom nikada prije nije bila sintetizirana, opažena pa čak ni formalno predviđena. Razumijevanje ponašanja te molekule na razini elektroničke strukture zahtijevalo je nešto jednako temeljno: visokovjernu simulaciju na kvantnom računalu.

Otkriće unapređuje znanost na dvije razine. Za kemiju, ono pokazuje da se elektronička topologija - svojstvo koje određuje kako se elektroni kreću kroz molekulu - može namjerno projektirati, a ne samo pronaći u prirodi. Za kvantno računarstvo, to je konkretna demonstracija kvantne simulacije koja radi upravo ono za što je osmišljena: izravno prikazuje kvantnomehaničko ponašanje na molekularnoj razini kako bi proizvela znanstveni uvid koji bi inače ostao izvan dosega.

„Najprije smo osmislili molekulu za koju smo vjerovali da se može stvoriti, zatim smo je izgradili, a potom smo kvantnim računalom potvrdili nju i njezina egzotična svojstva”, rekao je Alessandro Curioni, IBM Fellow, potpredsjednik za Europu i Afriku te direktor IBM Research Zurich. „To je korak prema snu koji je još prije nekoliko desetljeća iznio znameniti fizičar Richard Feynman, a odnosio se na izgradnju računala koje najbolje može simulirati kvantnu fiziku, i demonstracija onoga što je on opisao riječima: ‘Na dnu ima mnogo prostora.’ Uspjeh ovog istraživanja pokazuje korak prema toj viziji i otvara vrata novim načinima istraživanja našeg svijeta i tvari koja ga čini.”

Molekula formule C₁₃Cl₂ sastavljena je atom po atom u IBM-u iz prilagođenog prekursora sintetiziranog na Sveučilištu Oxford, pri čemu su pojedini atomi uklanjani jedan po jedan pomoću precizno kalibriranih naponskih impulsa u uvjetima ultravisokog vakuuma i na temperaturama blizu apsolutne nule. Pokusi skenirajućom tunelskom mikroskopijom i mikroskopijom atomskih sila, obje tehnike razvijene u IBM-u, u kombinaciji s kvantnim računarstvom otkrili su elektroničku konfiguraciju kakva nema pandan u postojećem kemijskom zapisu: elektroničku strukturu koja pri svakom obilasku prolazi kroz zakret od 90 stupnjeva, pa su potrebna četiri puna kruga da bi se vratila u početnu fazu.

Ta polu-Möbiusova topologija kvalitativno se razlikuje od svih dosad poznatih molekula i može se reverzibilno prebacivati između stanja zakrenutog u smjeru kazaljke na satu, stanja zakrenutog suprotno smjeru kazaljke na satu i nezakrenutog stanja. Time je pokazano da elektronička topologija nije svojstvo koje se tek otkriva, nego ono koje se sada može svjesno projektirati pod točno određenim uvjetima.

Znanstvenici su u ovom eksperimentu stvorili molekulu koja nikada prije nije postojala. Sada su morali otkriti zašto funkcionira, a taj je zadatak predstavljao izazov za konvencionalna računala. Elektroni unutar C₁₃Cl₂ međudjeluju na duboko isprepletene načine, pri čemu svaki istodobno utječe na sve ostale. Modeliranje takvog ponašanja zahtijeva praćenje svake moguće konfiguracije tih međudjelovanja odjednom, što traži računalne resurse koji rastu eksponencijalno i vrlo brzo mogu nadmašiti mogućnosti klasičnih strojeva.

Koristeći IBM-ovo kvantno računalo u tom radnom procesu, tim je identificirao helikalne molekulske orbitale za vezanje elektrona, što je potpis polu-Möbiusove topologije. Štoviše, simulacija provedena kvantnim računarstvom pomogla je otkriti mehanizam nastanka te neobične topologije: helikalni pseudo-Jahn-Tellerov efekt.

„Netrivijalna topologija ove molekule, kao i egzotično ponašanje mnogih drugih sustava, proizlazi iz međudjelovanja njihovih elektrona. Simuliranje elektrona na klasičnim računalima vrlo je teško - prije deset godina mogli smo točno modelirati 16 elektrona, a danas možemo doći do 18. Kvantna računala prirodno su prikladna za taj problem jer su njihovi gradivni elementi - kubiti - kvantni objekti koji odražavaju elektrone. Koristeći IBM-ovo kvantno računalo, uspjeli smo istražiti 32 elektrona. No najuzbudljiviji dio jest to da je ovo tek početak. Kvantni hardver napreduje brzo i budućnost je kvantna”, kaže Igor Rončević, suautor rada i predavač računalne i teorijske kemije na Sveučilištu u Manchesteru.

Rad je objavljen 5. ožujka 2026. u časopisu Science pod naslovom A molecule with half-Möbius topology, a sažetak navodi da stereoisomeri C₁₃Cl₂ imaju helikalne orbitale oko prstena ugljikovih atoma te da se π-orbitalna osnova zakreće za 90 stupnjeva u jednom obilasku, mijenja predznak nakon dva obilaska i postaje periodična nakon četiri obilaska, što odgovara polu-Möbiusovoj topologiji. Isti sažetak navodi i da se molekula može reverzibilno prebacivati između dvaju singletnih stanja suprotne polu-Möbiusove topologije i planarnog tripletnog, topološki trivijalnog stanja. Prema Oxfordovu prikazu istraživanja, molekula je nastala manipulacijom atomima na površini natrijeva klorida, a atomska mikroskopija sila pokazala je da C₁₃Cl₂ na toj podlozi poprima kiralnu geometriju. 

IBM navodi da je za teorijski opis korišten kvantno-centrični superračunalni pristup koji spaja kvantne i klasične sustave, čime je istražen aktivni prostor veći od onoga kojem klasična dijagonalizacija može izravno pristupiti. U IBM-ovu tehničkom prikazu dodatno se ističe da su izračuni metodom SqDRIFT izvođeni na do 100 kubita procesora iz obitelji IBM Heron, što upućuje na sve ozbiljniju uporabu kvantnog hardvera u kemijskim simulacijama. 

Znanstvena važnost ovog rezultata nije samo u tome što je potvrđena nova molekularna topologija, nego i u činjenici da topološka svojstva elektroničkih stanja sada postaju inženjerski podešiva, a ne samo opažena. To otvara prostor za buduća istraživanja molekula i materijala s neuobičajenim kvantnim fazama, kiralnim elektroničkim svojstvima i potencijalno novim funkcionalnostima u molekularnoj elektronici. Ujedno je riječ o rijetkom primjeru u kojem su eksperimentalna sinteza na razini pojedinačnih atoma, mikroskopsko snimanje i kvantna simulacija zajedno doveli do otkrića koje klasičnim metodama vjerojatno ne bi bilo moguće potpuno objasniti. 

Za šire područje kvantne kemije to je važan signal da se granica između teorijskog predviđanja i eksperimentalne realizacije sve više pomiče prema zajedničkim, hibridnim radnim tokovima. Budući razvoj kvantnog hardvera i algoritama zato će vjerojatno imati izravan utjecaj ne samo na fundamentalnu fiziku i kemiju, nego i na dizajn novih molekula, katalizatora i funkcionalnih materijala.