单个分子之间的长距离相互作用能否形成一种新的计算方式?金属表面上单个分子之间的相互作用延伸出惊人的大距离 - 高达几纳米。

一项刚刚发表的关于由这些相互作用引起的电子状态变化形状的新研究在未来将分子用作单独可寻址单元方面具有潜在的应用。

例如，在基于这项技术的未来计算机中，每个单独分子的状态都可以控制，反映了当前计算中晶体管的二进制操作。

莫纳什大学与墨尔本大学的合作研究了洒在金属表面上的酞菁镁 (MgPc) 的电子特性。

MgPc 类似于负责光合作用的叶绿素。

通过仔细、原子级精确的扫描探针显微镜测量，研究人员证明分子内电子的量子力学特性——即它们的能量和空间分布——受到相邻分子存在的显着影响。

这种效应——其中底层金属表面起关键作用——在几个纳米的分子间分离距离中被观察到，明显大于这种分子间相互作用的预期。

这些见解有望为由分子、二维材料和混合界面构建的电子和光电固态技术的发展提供信息和推动进展。

直接观察分子轨道对称性和能量的变化

酞菁 (Pc) “四叶草”配体在其中心装饰有镁 (Mg) 原子时，是负责生物有机体光合作用的叶绿素色素的一部分。

金属酞菁是通过交换中心金属原子和外围官能团来调节其电子特性的示例，以及它们在高度有序的单层和纳米结构中自组装的能力。

尖端扫描探针显微镜测量揭示了吸附在金属表面上的 MgPc 分子之间惊人的长程相互作用。

对实验结果和理论模型的定量分析表明，这种相互作用是由于相邻分子的量子力学轨道(决定分子内电子的空间分布)之间的混合所致。这种分子轨道混合导致电子能量和电子分布对称性的显着变化。

分子间相互作用的长程是分子在金属表面吸附的结果，它“扩散”了分子的电子分布。

“在空间分辨率和数据采集和分析的复杂性方面，我们不得不将我们的扫描探针显微镜推向新的极限，”主要作者和 FLEET 成员 Marina Castelli 博士说。

“从电子空间分布对称性的角度来量化分子间相互作用是思维的重大转变，而不是能量的典型光谱变化，后者可能更加微妙和误导。这是让我们获得的关键见解到终点线，以及为什么我们认为以前没有观察到这种影响。”

“重要的是，实验和原子 DFT 理论之间极好的定量一致性证实了长程相互作用的存在，使我们对我们的结论充满信心，”墨尔本大学的合作者穆罕默德·乌斯曼博士说。

这项研究的结果对未来基于有机分子、二维材料和混合界面的固态电子和光电技术的发展具有重大意义。