科学家根据需要顺时针或逆时针转动单个分子

诸平

Fig. 1 Scanning tunneling microscopy (STM) image of a rotating europium (Eu) complex on a gold sheet. The dark spot in disc indicates the single Eu atom. Credit: Argonne National Laboratory

Fig. 2 Controlled rotation of Eu complex on gold sheet initiated by electrical energy from STM tip, top left. Europium complex before and after rotation by 120 degrees (b,c). Dashed circle indicates negatively charged molecule. Credit: Argonne National Laboratory.

据美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）2022年12月21日报道，科学家根据需要可以顺时针或逆时针转动单个分子（Scientists turn single molecule clockwise or counterclockwise on demand）。上述图1（Fig. 1）是阿贡国家实验室提供的扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy简称STM)图像，在金箔上旋转铕(Eu)配合物。圆盘上的黑点表示单个Eu原子。控制这种分子的旋转可以带来微电子学（microelectronics）、量子计算（quantum computing）等新技术。相关研究结果于2022年10月22日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Tolulope Michael Ajayi, Vijay Singh, Kyaw Zin Latt, Sanjoy Sarkar, Xinyue Cheng, Sineth Premarathna, Naveen K. Dandu, Shaoze Wang, Fahimeh Movahedifar, Sarah Wieghold, Nozomi Shirato, Volker Rose, Larry A. Curtiss, Anh T. Ngo, Eric Masson, Saw Wai Hla. Atomically precise control of rotational dynamics in charged rare-earth complexes on a metal surface. Nature Communications, Published: 22 October 2022, volume 13, Article number: 6305. DOI: 10.1038/s41467-022-33897-3. https://www.nature.com/articles/s41467-022-33897-3

你可以通过扭动手指轻松地旋转手中的棒球。但你要旋转比雨滴小一百万倍分子，就不那么轻而易举了。这个具有挑战性的任务需要拥有世界级科学设备的富有创造力的科学家来完成。

美国能源部阿贡国家实验室(U.S. Department of Energy简称DOE)的科学家报告说，他们可以根据需要精确旋转一个小分子。关键成分是一种稀土元素（rare earth element）铕的单个原子,它位于不同原子的配合物的中心，给了分子许多潜在的应用。

阿贡的美国能源部科学办公室用户设施（DOE Office of Science user facility at Argonne）的物理学家、也是纳米材料中心(Center for Nanoscale Materials简称CNM)的物理学家、还是俄亥俄大学（Ohio University）的物理学教授Saw Wai Hla说：“我们能够将铕配合物向右或向左旋转60°或120°。像这样控制稀土配合体运动的能力，可能会影响一系列广泛的技术。”这包括下一代微电子技术（microelectronics）、量子技术（quantum technologies）、加速反应的催化（catalysis）、光转换成电等等。上述图2（Fig. 2）就是由阿贡国家实验室提供的由STM尖端的电能引起的金片上Eu配合物的受控旋转图片。图2b和图2c分别表示铕配合物旋转120°前后。虚线圈表示带负电荷的分子。

“稀土（rare earth）”一词具有欺骗性。稀土元素并不算稀有，但却是许多电子设备（electronic devices）中使用的关键材料，比如手机、电脑硬盘、太阳能电池板和平板显示器。根据需要旋转这种铕分子的能力可以将其应用扩展到相对低功率的下一代微电子学、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，生产用于设备的纯稀土既困难又昂贵。从含有稀土的废料中获取稀土也是昂贵的。该团队的铕配合物将减少特定设备所需的稀土数量，并将大幅降低大规模生产的成本，这对稀土用户来说无疑是一个利好的消息。

配合物中的关键成分是一个带正电荷（positive charge）的铕原子和两个带负电荷（negative charge）的小分子。铕原子位于配合物的中心，而一个小分子在一侧，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在不需要化学键的情况下保持在一起。底部的小分子将配合物固定在金箔上。金箔就像一张桌子，把整个复杂的东西固定在一个地方，就像你需要一个平坦的固体表面来旋转一个瓶子一样。

Saw Wai Hla说:“通常情况下，如果你把像我们这样带正电荷和负电荷的配合物附着在金属片上，电荷就会消散。所以，当这种情况并未在此发生时，我们很兴奋。我们的计算表明，铕原子周围的配合体中的原子起着绝缘体的作用，防止电荷消散到金箔上。”

配合物中的两个带负电荷的分子一起起控制作用。为了激发旋转，研究小组通过一种STM仪器的尖端，将电能（electrical energy）应用于配合物上的特定点。该探头不仅可以控制旋转，还可以使配合物研究可视化。

在100 K的温度下，研究团队的配合物不断旋转。当温度降低到超冷的5 K时，这种旋转就停止了。施加电能，开始所需的60°或120°旋转，顺时针或逆时针旋转，这取决于电场的方向。阿贡国家实验室也提供了旋转配合物的视频（Video of rotating complex. Credit: Argonne National Laboratory）。

Saw Wai Hla说:“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配合物是不可能的。”

更重要的是，位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施高级光子源（Advanced Photon Source）中的光束线(XTIP)提供了高亮度X射线束，以确定单个铕原子具有正电荷。“XTIP是世界上第一个致力于同步X射线扫描隧道显微镜技术的光束线（beamline），”阿贡国家实验室和俄亥俄大学联合委任物理学家沃尔克·罗斯（Volker Rose）说。

“通过XTIP光束线，我们能够描述含铕分子的元素和化学状态，”助理物理学家Nozomi Shirato说。这些数据表明，分子中的单个铕原子具有+3的正电荷，并且当被吸收到金表面时不会失去这个电荷。这种电荷状态的保留是分子旋转能力的关键。

Saw Wai Hla补充说:“我们的主要任务是在原子层面上了解稀土的性质，稀土是美国工业的关键材料。这个特殊的项目可能会对目前存在或可能被开发的许多不同技术产生有益的影响。”

本研究得到了美国能源部（U.S. Department of Energy）、科学办公室（Office of Science）、基础能源科学办公室（Office of Basic Energy Sciences）、材料科学与工程部门（Materials Science and Engineering Division）的财政支持。在纳米材料中心和先进光子源(美国能源部科学用户设施办公室)的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室（Work performed at the Center for Nanoscale Materials, and Advanced Photon Source, both U.S. Department of Energy Office of Science User Facility）的支持（U.S. DOE, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. DE-AC02-06CH11357）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Europium and light: An innovative platform for quantum computers and communications

Abstract

Complexes containing rare-earth ions attract great attention for their technological applications ranging from spintronic devices to quantum information science. While charged rare-earth coordination complexes are ubiquitous in solution, they are challenging to form on materials surfaces that would allow investigations for potential solid-state applications. Here we report formation and atomically precise manipulation of rare-earth complexes on a gold surface. Although they are composed of multiple units held together by electrostatic interactions, the entire complex rotates as a single unit when electrical energy is supplied from a scanning tunneling microscope tip. Despite the hexagonal symmetry of the gold surface, a counterion at the side of the complex guides precise three-fold rotations and 100% control of their rotational directions is achieved using a negative electric field from the scanning probe tip. This work demonstrates that counterions can be used to control dynamics of rare-earth complexes on materials surfaces for quantum and nanomechanical applications.