首个半莫比乌斯分子

从莫比乌斯带到分子拓扑

莫比乌斯带是一种只有一个连续表面的扭曲环。制作一个普通的莫比乌斯带，只需将一条丝带或纸带的一端相对于另一端翻转180º，然后把两端连接起来。虽然莫比乌斯带在视觉上颇具吸引力，但它最大的影响还是体现在数学中：它推动了一个名为拓扑学的领域的发展。

用纸做的莫比乌斯带。（图/Wikipedia）

拓扑学是研究内在结构性质以及事物如何连接的数学分支。通常，由原子连接形成的分子环在拓扑上是平凡的，这意味着如果你沿着环追踪它们的原子轨道——也就是表征电子位置的云状结构——绕行一圈之后，你会回到起点。

现在，可以设想这样一种分子：其中的电子云形成了一个带有半扭转的环，就像莫比乌斯带一样——如果沿着环的“上表面”前进，就需要绕环两圈才能回到起点。与没有扭转、拓扑平凡的系统相比，这种额外的扭转从根本上改变了系统的对称性和性质。

在一项新发表《科学》杂志的研究中，一个研究团队构建出首个呈现半莫比乌斯电子拓扑的分子——C₁₃Cl₂。这是一种单环分子，它的电子云并不是像普通情形那样绕行一圈就回到远点，而是要绕四圈才完成一次完整扭转，并且每绕一圈电子相位只扭转90度。

半莫比乌斯分子

研究人员利用扫描探针显微镜，在一层覆盖于金表面的薄绝缘层上，通过逐个操纵原子的方式组装出C₁₃Cl₂分子的，实验温度仅略高于绝对零度。这个分子由13个碳原子（C）组成，其中两个碳原子位于圆环相对的两侧，并各自与一个氯原子（Cl）相连。

C₁₃Cl₂分子的结构。（图/Rončević et al. / Science）

这样一来，其余11个碳原子就都直接与相邻的碳原子相连。这些碳原子还各自带有两个电子，这些电子所在的轨道呈杠铃形，并垂直于环面向外伸出。这些杠铃形轨道会与相邻原子形成额外的键，构成“共轭”结构。在这种结构中，电子会在链上的许多原子之间共享。

构成莫比乌斯带并最终连接起来的丝带，其横截面是直线。而在C₁₃Cl₂中，这两个杠铃形轨道构成了一个“+”字形。这意味着它们在连接前可以先扭转90度——从而形成一种在形状或“拓扑”上具有新几何性质的分子。

研究人员在原子尺度上对这些分子进行了最先进的显微观测。结果显示：它们确实具有这种“半扭转”结构。在这种半莫比乌斯状态下，这种扭转使其原子能够以一种方式共享电子，从而使每个轨道中都填入偶数个电子。这使得这一分子比其未扭转的对应结构更加稳定。

而且更惊人的是，研究人员通过实验发现，这个分子体系可以在右手型半莫比乌斯态、左手型半莫比乌斯态以及拓扑平凡构型之间实现可逆切换。也就是说，这里的拓扑不是一种被动属性，而是可以被设计、控制和操作。

用量子计算理解其本质

创造这样复杂的分子系统固然令人着迷，但这只是第一步。理解它们的行为则带来了同样艰巨的挑战。这个半莫比乌斯体系表现出很强的电子关联和显著的多参考特征，这意味着，使用经典模拟方法来研究该分子相关的电子性质或量子力学性质会格外困难。

在这项研究中，包括在量子硬件上执行的大规模、基于采样的从头算计算在内的多参考计算表明，这种切换与一种名为螺旋赝杨-泰勒（Jahn–Teller）效应的机制有关。其本质上是分子的扭曲几何结构对其电子结构造成的一种微调。量子模拟还证实了关于一种与电子附着相关的扭曲分子轨道的预测，而这正是半莫比乌斯拓扑的一个标志性特征。

左图：新型半莫比乌斯分子的电子轨道密度的扫描隧道显微镜图像；右图：利用IBM量子计算机生成的该分子轨道密度的模拟描隧道显微镜图像。（图/IBM Research 和曼彻斯特大学。）

这项工作标志着量子计算在量子化学中的应用迈出了有意义的一步。这一突破不仅来自通过工程化构建出的这个奇异分子，也不仅来自这一新型的量子算法本身，更来自它们的结合。

这些奇异分子是通过原子操纵制造出来的，而量子处理器则通过建立在同样物理定律之上的算法来模拟它们的行为。归根结底，这种实验与量子计算的结合，加深了我们对量子物理的理解。

#参考来源：

https://research.ibm.com/blog/half-mobius-molecule

https://www.chem.ox.ac.uk/article/a-molecule-with-half-mobius-topology

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00682-x

#图片来源：

封面图&首图：IBM Research and the University of Manchester