科学家根据需要顺时针或逆时针转动单个分子

控制这种分子的旋转可能会带来微电子、量子计算等新技术。您可以通过转动手指轻松地旋转手中的棒球。但是你需要有创造力的科学家能够使用世界一流的科学设施来旋转一个只有十亿分之二米宽的物体。这比雨滴小一百万倍。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家报告说，他们可以根据需要精确地旋转这么小的单个分子。关键成分是单原子铕，一种稀土元素。它位于不同原子复合体的中心，并为分子提供了许多潜在的应用。

“我们能够将这种铕络合物向右或向左旋转60或120度，”美国能源部科学办公室用户设施纳米材料中心(CNM)的物理学家SawWaiHla说。俄亥俄大学教授。“控制像这样的稀土复合物运动的能力可能会影响广泛的技术。”这包括下一代微电子学、量子技术、加速反应的催化作用、将光转化为电能等等。

“稀土”一词具有欺骗性。稀土元素并非完全稀有，而是许多电子设备中使用的关键材料，例如手机、计算机硬盘驱动器、太阳能电池板和纯平显示器。按需旋转这种铕分子的能力可以将它们的应用扩展到功耗相对较低的下一代微电子、量子计算机等领域。

稀土很容易与地壳中的其他元素结合。因此，生产用于器件的纯稀土既困难又昂贵。从含稀土废物中收集它们也很昂贵。该团队的铕络合物将减少特定设备所需的稀土数量，并且批量生产的成本要低得多。

该复合物的关键成分是一个带正电荷的铕原子和两个带负电荷的小分子。铕原子位于复合物的中心，而一个小分子在侧面，另一个在底部。

因为异性相吸，这些负电荷和正电荷使这些成分结合在一起，而不需要化学键。底部的小分子将复合物固定在金片上。这张纸就像一张桌子，可以将整个复合体固定在一个地方，就像您需要一个平坦的固体表面来旋转瓶子一样。

“通常情况下，如果你将像我们这样的带有正电荷和负电荷的复合物附着在金属板上，电荷就会消散，”Hla说。“所以，当这并没有发生在这里时，我们感到很兴奋。我们的计算表明，围绕在铕原子周围的络合物中的原子充当绝缘体，可以防止电荷消散到金片上。”

复合物中的两个带负电荷的分子共同发挥控制单元的作用。为了激发旋转，该团队通过称为扫描隧道显微镜的仪器的尖端将电能施加到复合体上的特定点。该探针不仅可以控制旋转，还可以将复合物可视化以供研究。

在100开尔文(零下208华氏度)的温度下，团队的建筑群不断旋转。当他们将温度降低到超冷5K时，旋转停止。施加电能开始所需的60或120度旋转，顺时针或逆时针取决于电场的方向。

旋转复合体的视频。图片来源：阿贡国家实验室。

“如果没有CNM中独一无二的仪器，开发、制造和测试这种纳米级复合体是不可能的，”Hla说。

更重要的是，高级光子源中的光束线(XTIP)是位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施，它提供了确定单个铕原子带正电荷所需的高亮度X射线束。“XTIP是世界上第一条专门用于同步加速器X射线扫描隧道显微镜技术的光束线，”在俄亥俄大学联合任命的阿贡物理学家VolkerRose说。

“借助XTIP光束线，我们能够表征含铕分子的元素和化学状态，”助理物理学家NozomiShirato说。这些数据表明，分子中的单个铕原子带有正电荷3，并且在吸附在金表面时不会失去该电荷。这种电荷状态的保留是旋转分子能力的关键。

“我们的主要任务是在原子层面了解稀土的特性，稀土是美国工业的关键材料，”Hla补充道。“这个特定项目可能会对现在存在或可能开发的许多不同技术产生有益影响。”