Organiskajās molekulās izdevies novērot elektronisku uzvedību, ko pētniekiem līdz šim bijis grūti panākt molekulāros materiālos. Zinātnieki tripticēna bāzes molekulas sakārtoja retā divdimensiju režģī un konstatēja kvantu stāvokļus, kas ir ierobežoti pie tā malām.

Izveidotā struktūra apvieno šūnveida un Kagomes režģa pazīmes — divus izkārtojuma veidus, kurus pēta to neparasto elektronisko īpašību dēļ. Malu stāvokļi vienlaikus liecina, ka organiskas molekulu kopas var demonstrēt topoloģisku uzvedību. Līdz šim šī pētniecības joma lielākoties bijusi saistīta ar neorganiskiem materiāliem.

Režģis apvieno divu struktūru īpašības

Pētījuma rezultāti 2026. gada 2. septembrī publicēti žurnālā Nano Letters. Starptautiskajā komandā bija Japānas Nacionālā materiālzinātnes institūta (NIMS), vairāku Japānas universitāšu un Vācijas Ķīles universitātes pētnieki.

Zinātnieki izveidoja tā dēvēto diatomisko Kagomes režģi. Tā ģeometrijā apvienoti elementi no diviem atšķirīgiem režģa modeļiem. Šūnveida režģis atgādina bišu stropa atkārtotās šūnas, un šādam izkārtojumam atbilst arī grafēns — viena grafīta kārta. Savukārt Kagomes režģis nosaukts tradicionālā japāņu grozu pīšanas raksta vārdā.

Abas struktūras zinātnieki plaši pētījuši, jo to ģeometrija var radīt īpašas elektroniskās īpašības. Tomēr diatomisku Kagomes režģi reālā materiālā līdz šim izdevies izveidot reti. Šajā darbā komanda izmantoja tripticēna atvasinājumus — molekulas, kuru trīs plaknes veido propelleram līdzīgu izkārtojumu.

Šīs molekulārās plaknes saskaras ar blakus esošajām struktūrām, tādējādi pastiprinot elektronisko mijiedarbību samontētajā materiālā. Tas ir būtiski, jo organiskās molekulas parasti savienojas ar vājām elektroniskajām mijiedarbībām. Lai gan to uzbūve sniedz lielu dizaina brīvību, vājie savienojumi var apgrūtināt tādu īpašību atkārtošanu, kādas nepieciešamas kvantu materiāliem.

Malās konstatēti topoloģiski kvantu stāvokļi

Molekulu kopu pētnieki pārbaudīja ar skenējošo tuneļmikroskopu. Mērījumi atklāja elektroniskos stāvokļus, kas koncentrējas gar struktūras robežu — vietā, kur režģis saskaras ar apkārtējo vidi.

Pēc tam teorētiskā analīze ļāva identificēt šīs pazīmes kā topoloģiskos malu stāvokļus. Tie rodas materiāla elektronisko īpašību topoloģijas jeb matemātiskās struktūras dēļ un atrodas pie malām, nevis izplatās tā iekšienē kā parasti elektroniskie stāvokļi.

Šo stāvokļu klātbūtne sniedz pierādījumus, ka organiskā molekulu kopa demonstrē topoloģiskam kvantu materiālam raksturīgas īpašības. Spēcīgā elektroniskā saite starp blakus esošajiem tripticēna atvasinājumiem palīdz izskaidrot, kāpēc struktūra spēj uzturēt šādu uzvedību.

Iespējamie nākotnes pielietojumi vēl jāizpēta

Rezultāts piedāvā citu pieeju kvantu materiālu izstrādei. Tā vietā, lai galvenokārt paļautos uz neorganiskiem savienojumiem, zinātnieki var pētīt, kā molekulu ģeometrija un spēcīgāka elektroniskā mijiedarbība ļauj radīt noderīgas kvantu īpašības.

Komanda saskata iespējamu pielietojumu elektronikā, kas patērē mazāk enerģijas un spēj ātri pārslēgties starp stāvokļiem. Turpmākajos pētījumos varētu pārbaudīt, vai līdzīgas struktūras iespējams pārveidot no pusvadītājam līdzīgas uzvedības uz supravadītspēju.

Pētnieki iztēlojas arī īpaši ātrus optiskos slēdžus un enerģijas pārnesi bez zudumiem istabas temperatūrā. Tomēr ne viena, ne otra iespēja šajā eksperimentā netika demonstrēta, un to īstenošanai būtu vajadzīgi turpmāki pētījumi.

Šā darba tūlītējais sasniegums ir konkrētāks: zinātnieki parādījuši, ka organisku molekulu kopa ar apzināti izveidota režģa palīdzību var uzņemt topoloģiskos malu stāvokļus. Tas pētniekiem dod jaunu struktūru, ko pētīt, lai izprastu, kā molekulārais dizains spēj kontrolēt elektronisko uzvedību.