Квантовый симбиоз. Ученые уменьшили винт Архимеда до размеров одной молекулы

Исследователи представили миру уникальный молекулярный двигатель, который приводится в движение исключительно электрическим током. Вдохновением для этой наномашины послужил винт Архимеда — одно из старейших инженерных изобретений. Главная особенность этого устройства — способность менять направление вращения простым переключением полярности напряжения. Это достижение считается фундаментальным шагом к созданию полноценных механизмов в микромире.

Идея молекулярных машин давно будоражит умы ученых. Природа уже создала совершенные биологические моторы внутри клеток, и попытки воссоздать их искусственно ведутся десятилетиями, что было отмечено Нобелевской премией по химии в 2016 году. Если первые электрические молекулярные моторы появились еще в 2011 году, они были жестко привязаны к поверхностям и требовали иглы микроскопа для работы. Новый аппарат работает иначе.

В основе конструкции лежит спиральная молекула, напоминающая шнек. Она закреплена между двумя золотыми электродами, суженными до атомных размеров. Когда сквозь эту спираль проходит поток электронов, они передают ей угловой момент, заставляя вращаться. Это похоже на то, как поток воздуха вращает лопасти ветряка. При этом форма спирали работает как резьба: меняя направление тока, ученые заставляют молекулу крутиться в обратную сторону.

В ходе экспериментов был обнаружен поразительный побочный эффект. Проводимость устройства возрастала в 100 раз именно в момент вращения. Чтобы разгадать эту аномалию, физики-теоретики из Аугсбургского университета задействовали суперкомпьютер. Расчеты показали тесную связь между механикой и электричеством: молекула в покое занимает позиции, «неудобные» для тока, но в процессе вращения она неизбежно проходит через конфигурации, где канал для электронов максимально открыт.

«Удивительно, но именно те положения, которых молекула избегает в покое, лучше всего проводят ток. Только вращение делает их доступными», — пояснил аспирант Леон Мартин.

Для разгадки этой тайны объединились усилия ученых из Копенгагена, Израиля, Китая и Германии. Экспериментаторы видели лишь цифры тока на приборах, а теоретики с помощью симуляций смогли заглянуть внутрь наноконтакта.

Это открытие открывает путь к молекулярной электронике и спинтронике. Способность преобразовывать ток в направленное вращение, при этом используя само вращение для управления током, дает инженерам принципиально новый инструмент для создания машин на пределе миниатюризации.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Источник изображения: Ianmacm / ru.wikipedia.org