科学家根据需要顺时针或逆时针旋转单个分子

控制这种分子的旋转可能会带来微电子、量子计算等新技术的诞生。

你可以通过转动手指轻松地旋转手中的棒球。但你需要有创造力的科学家和世界一流的科学设备来旋转一个只有二十亿分之一米宽的物体。这比雨滴小一百万倍。

美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家报告称，他们可以精确地旋转需求量如此之小。关键成分是单个铕原子，。它位于不同原子复合体的中心，赋予该分子许多潜在的应用。

“我们能够将这种铕复合物向左或向右旋转 60 度或 120 度，”纳米材料中心 (CNM) 物理学家、阿贡国家实验室美国能源部科学办公室用户设施、俄亥俄大学物理学教授 Saw Wai Hla 表示。“控制这种稀土复合物运动的能力可能会影响广泛的技术。”其中包括下一代微电子技术、量子技术、加速反应的催化、光转化为电能等等。

“稀土”一词具有欺骗性。稀土元素并不稀有，但却是许多领域使用的关键材料。，例如手机、计算机硬盘、太阳能电池板和平板显示器。按需旋转这种铕分子的能力可以将其应用扩展到运行功率相对较低的下一代微电子、量子计算机等。

稀土元素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元素既困难又昂贵。从含稀土元素的废料中开采稀土元素也很昂贵。该团队的铕复合物将减少特定设备所需的稀土元素数量，并且大批量生产的成本要低得多。

复合物中的关键成分是单个铕原子，以及两种小分子铕原子位于复合物的中心，一个小分子位于侧面，另一个位于底部。

由于异性相吸，这些负电荷和正电荷将这些成分结合在一起，而无需化学键。底部的小分子将复合物固定在金片上。这张金片就像一张桌子，将整个复合物固定在一个地方，就像你需要一个平坦的固体表面来旋转瓶子一样。

“通常情况下，如果你将像我们这样的带正电荷和负电荷的复合物附着在金属片上，电荷就会消散，”Hla 说道。“所以，当这种情况没有发生时，我们非常兴奋。我们的计算表明，铕原子周围的复合物中的原子充当了绝缘体，防止电荷消散到金片上。”

复合物中的两个带负电荷的分子共同作用，充当。为了激发轮换，球队采用了通过一种称为扫描隧道显微镜的仪器的尖端，将探针对准复合物上的特定点。这种探针不仅可以控制旋转，还可以将复合物可视化以供研究。

在 100 开尔文（零下 208 华氏度）的温度下，该团队的装置不断旋转。当他们将温度降至超冷 5 开尔文时，旋转停止。施加电能可启动所需的 60 度或 120 度旋转，顺时针或逆时针旋转取决于电场指向的位置。

Hla 表示：“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复合体是不可能的。”

此外，阿贡国家实验室先进光子源（美国能源部科学办公室用户设施）的光束线（XTIP）提供了确定单个铕原子带正电荷所需的高亮度 X 射线束。“XTIP 是世界上第一条专用于同步加速器 X 射线扫描隧道显微镜技术的光束线，”阿贡国家实验室物理学家、俄亥俄大学兼职教授 Volker Rose 说道。

“借助 XTIP 光束线，我们能够表征含铕分子的元素和化学状态，”助理物理学家 Nozomi Shirato 说道。这些数据表明，分子中的单个铕原子带有正三价正电荷，并且在被金表面吸收时不会失去该电荷。这种电荷状态的保留是分子旋转能力的关键。

“我们的主要任务是从原子层面了解稀土元素的特性，稀土元素是美国工业的关键材料，”Hla 补充道。“这个特殊的项目可能会对许多现有的或可能开发的技术产生有益的影响。”

这项研究发表于自然通讯。