控制這種分子的旋轉可能會帶來微電子、量子計算等新技術。
您可以通過轉動手指輕松地旋轉手中的棒球。但是你需要有創造力的科學家能夠使用世界一流的科學設施來旋轉一個只有十億分之二米寬的物體。這比雨滴小一百萬倍。
美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室的科學家報告說，他們可以根據需要精確地旋轉這么小的單個分子。關鍵成分是單原子銪，一種稀土元素。它位于不同原子復合體的中心，并為分子提供了許多潛在的應用。
“我們的主要任務是在原子層面了解稀土的特性，稀土是美國工業的關鍵材料。” — Saw Wai Hla，納米材料中心的物理學家
“我們能夠將這種銪絡合物向右或向左旋轉 60 或 120 度，”納米材料中心 (CNM) 的物理學家 Saw Wai Hla 說。俄亥俄大學教授。â?<“控制諸如此類的稀土復合物運動的能力可能會影響廣泛的技術。” 這包括下一代微電子學、量子技術、加速反應的催化作用、將光轉化為電能等等。
術語 XNUMX.“稀土”具有欺騙性。稀土元素并非完全稀有，而是用于許多電子設備的關鍵材料，例如手機、計算機硬盤驅動器、太陽能電池板和純平顯示器。按需旋轉這種銪分子的能力可以將它們的應用擴展到功耗相對較低的下一代微電子、量子計算機等領域。
稀土很容易與地殼中的其他元素結合。因此，生產用于器件的純稀土既困難又昂貴。從含稀土廢物中收集它們也很昂貴。該團隊的銪絡合物將減少特定設備所需的稀土數量，并且批量生產的成本要低得多。
該復合物的關鍵成分是一個帶正電荷的銪原子和兩個帶負電荷的小分子。銪原子位于復合物的中心，而一個小分子在側面，另一個在底部。
因為異性相吸，這些負電荷和正電荷使這些成分結合在一起，而不需要化學鍵。底部的小分子將復合物固定在金片上。這張紙就像一張桌子，可以將整個復合體固定在一個地方，就像您需要一個平坦的固體表面來旋轉瓶子一樣。
“通常情況下，如果你將像我們這樣的帶有正電荷和負電荷的復合物附著在金屬板上，電荷就會消散，”Hla 說。â?<“所以，當這種情況沒有發生在這里時，我們感到很興奮。我們的計算表明，圍繞銪原子的絡合物中的原子充當絕緣體，可防止電荷消散到金片上。”
復合物中的兩個帶負電荷的分子共同發揮控制單元的作用。為了激發旋轉，該團隊通過稱為掃描隧道顯微鏡的儀器的尖端將電能施加到復合體上的特定點。該探針不僅可以控制旋轉，還可以將復合物可視化以供研究。
在 100 開爾文(零下 208 華氏度)的溫度下，團隊的建筑群不斷旋轉。當他們將溫度降低到超冷 5 K 時，旋轉停止。施加電能開始所需的 60 或 120 度旋轉，順時針或逆時針取決于電場的方向。
“如果沒有 CNM 中獨一無二的儀器，開發、制造和測試這種納米級復合體是不可能的，”Hla 說。
更重要的是，高級光子源中的光束線 (XTIP) 是位于阿貢的美國能源部科學辦公室用戶設施，它提供了確定單個銪原子帶正電荷所需的高亮度 X 射線束。“XTIP 是世界上第一條專用于同步加速器 X 射線掃描隧道顯微鏡技術的光束線，”俄亥俄大學聯合任命的阿貢物理學家 Volker Rose 說。
“借助 XTIP 光束線，我們能夠表征含銪分子的元素和化學狀態，”助理物理學家 Nozomi Shirato 說。這些數據表明，分子中的單個銪原子帶有正電荷 3，并且在吸附在金表面時不會失去該電荷。這種電荷狀態的保留是旋轉分子能力的關鍵。
“我們的主要任務是在原子層面了解稀土的特性，稀土是美國工業的關鍵材料，”Hla 補充道。â?<“這個特定項目可以有益地影響現在存在或可以開發的許多不同技術。”
這項研究發表在 《自然通訊》上。除了 Hla、Volker 和 Shirato，其他阿貢作者還包括 Tolulope M. Ajayi、Vijay Singh、Kyaw Zin Latt、Sineth Premarathna、Shaoze Wang、Sarah Wieghold 和 Larry A. Curtiss。來自俄亥俄大學和芝加哥伊利諾伊大學的貢獻者包括 Sanjoy Sarkar、Xinyue Cheng、Fahimeh Movahedifar、Eric Masson、Naveen K. Dandu 和 Anh T. Ngo。
美國能源部科學辦公室的基礎能源科學計劃資助了該項目。它受益于 Argonne 的高性能計算集群 Bebop 上提供的計算資源。
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