荷兰拉德堡德大学的研究团队利用铯原子和铟锡表面上的电子表面约束，开发了一种用于模拟分子轨道的固态量子模拟器，可以通过人工合成分子来模拟真实分子的行为并调整分子的特性。该系统可作为一个模拟量子化学的多功能平台，并提供研究分子轨道和结构之间相互作用的新方法。这将有助于量子和有机化学、固体物理和多体物理等领域的研究。该成果于6月8日发表在《科学》杂志上。
© Science研究论文以《量子模拟器用于模拟低维分子结构(Quantum simulator to emulate lower-dimensional molecular structure)》为题发表于《科学》杂志
分子的变化和反应是化学的基础。负责进行实验的Emil Sierda表示：“几年前，我们有一个疯狂的想法，想建立一个量子模拟器。我们想创建类似于真实分子的人工分子。因此，我们开发了一个可以捕获电子的系统。电子像云一样围绕着分子，而我们利用这些被囚禁的电子来构建人工分子。”研究团队发现的结果令人惊讶。Sierda说：“我们构建的人工分子与真实分子之间的相似性令人难以置信。”
论文通讯作者之一的Alex Khajetoorians表示：“制造分子本身就很困难。更难的是理解某些分子的反应，例如它们在扭曲或改变时的变化。”化学反应由分子的变化，例如氢分子与氧分子形成水。Khajetoorians说道：“我们想模拟分子，这样我们就可以拥有一个终极的工具，以一种几乎不可能用真实分子来实现的方式来弯曲和调整分子。通过这种方式，我们可以在不制造分子或不必应对它们形状不断变化等挑战的情况下对真实分子进行一些研究。”
拉德堡德大学的科学家们开发了类似真实有机分子的人工合成分子
利用这个模拟器，研究人员构建了有机化学中基本的一种有机分子苯的人工版本。苯是许多化学物质的首要成分，例如用于制造聚苯乙烯的苯乙烯。Khajetoorians说：“通过制造苯，我们模拟了一种经典的有机分子，并构建了由非有机元素铯所组成的分子。”此外，这些人工分子比真实分子大十倍，这使得它们更容易操作。
人工苯及其轨道结构
论文通讯作者之一的Daniel Wegner表示：“我们才刚刚开始想象可以用它做什么。我们有很多想法，很难决定从哪里开始。”通过使用这个量子模拟器，科学家们可以更好地理解分子及其反应，这将有助于各个科学领域。Wegner补充说：“例如，未来的计算硬件所需的新材料非常难以制造。通过制作一个模拟版本，我们可以寻找具有新特性和新功能的某些分子，并评估他们是否值得用于制造真实材料。”
在将来可能还会出现各种可能性：像慢动作视频一样逐步理解化学反应，或者制造人工的单分子电子设备，比如缩小计算机芯片上的晶体管尺寸。量子模拟器甚至被建议用作量子计算机。Sierda说道：“但这还有很长的路要走，而现在我们可以开始以前所未有的方式去理解分子。”
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2685
报道链接：https://phys.org/news/2023-06-scientists-artificial-molecules-real.html