Группа ученых из химического отдела Кембриджского университета и Кавендишской лаборатории обнаружила то, что движение кольцеобразной молекулы пиррола (pyrrole) по металлической поверхности происходит с нарушением вековых законов классической физики, которые определяют все, что происходит в окружающем нас мире. Используя уникальные высокочувствительные измерительные методы, ученые обнаружили удивительный факт, заключающийся в том, что законы квантовой механики, проявляющиеся обычно на уровне субатомных частиц, могут фактически действовать и на более высоком молекулярном уровне.

Центральная часть молекулы пиррола представляет собой "плоскую пентаграмму" из пяти атомов, четырех атомов углерода и одного атома азота. Каждый из этих атомов имеет связь с атомом водорода, которые торчат наружу молекулы как спицы велосипедного колеса.

Проведя серию экспериментов, ученые получили на руки доказательства того, что в случае с пирролом, квантовые законы, затрагивающие внутренности составных частей молекулы, оказывают характерное влияние на движение молекулы в целом, делая его своего рода "квантовым движением", проявлением законов квантовой физики на более высоком уровне.

Эти эксперименты, проведенные группой, возглавляемой Барбарой Лекнер (Barbara Lechner), заключались в точном измерении количества энергии, которую требуется приложить к молекуле пиррола для того, чтобы она смогла начать двигаться по медной поверхности. Полученные результаты измерений продемонстрировали серьезные отклонения и несоответствия с расчетными величинами, что стало дорогой к открытию квантовой природы движения молекул.

В предыдущих работах ученые смогли точно установить значение так называемого "барьера активации движения", количества энергии, требующегося для ослабления связей частей молекулы с поверхностью, что позволяет молекуле двигаться вдоль этой поверхности. Точное значение было получено методом расчетов, в которых принимают участие электроны, являющиеся связующим звеном между атомным уровнем и более низким уровнем квантовой механики. Но все полученные учеными значения были рассчитаны лишь только с точки зрения классической физики, совершенно не учитывая никаких квантовых составляющих.

Полученные экспериментальным путем значения барьера активации более чем в три раза больше значений, полученных с помощью теоретических расчетов, что крайне озадачило ученых. В поисках ответа на этот вопрос ученые обратились к рассмотрению квантового явления, известного под названием "энергия нулевых колебаний". В классической физике движущийся объект, теряющий постоянно энергию, когда-нибудь дойдет до точки полной остановки. Но в квантовом мире такого не произойдет никогда, в любом объекте всегда остается некоторое количество энергии, которую в некоторых случаях невозможно измерить, и эта энергия называется энергией нулевых колебаний.

Ученые физики связывали понятие энергии нулевых колебаний максимум с законами движения отдельных атомов, считалось, что эта энергия настолько мала, что ее количества недостаточно для оказания влияния на движение массивных молекул. Но теперь, ученые обнаружили, что квантовый мир внутреннего движения молекулы затрагивает молекулу в целом, когда это движение преодолевает сопротивление поверхности, что само по себе бросает вызов законам классической физики, законам, описывающим движение и энергии настолко большие, чтобы чувствовать влияние квантовых эффектов.

Ученые полагают, что эффект проявления квантовой механики на молекулярном уровне особенно выделяется в случае молекул пиррола из-за крайне низкого значения барьера активации движения. Быстрее всего этот эффект проявляется и в случае с другими молекулами, считают ученые, но из-за высокого значения барьера активации это влияние практически незаметно.

"Понимание особенностей природы молекулярного движения по металлическим поверхностям имеет очень большое значение в связи с усилиями по созданию больших двухмерных сетей из кольцеобразных молекул, которые могут использоваться в будущих оптических, электронных и спинтроных устройствах" - объясняет доктор Стивен Дженкинс (Dr. Stephen Jenkins), руководитель группы по изучению физики поверхностей Кембриджского университета, - "Без точных знаний о происходящих на молекулярном и атомарном уровнях процессах развитие некоторых областей науки и технологий может упереться в непреодолимые барьеры, обусловленные наличием непонятных нам эффектов и ограничений".