Solitonics i molekylære ledninger kunne gavne elektronik

Soliton-beskrivelser for de ledende polymerer polyacetylen - beskrivelser baseret på en type solitær bølge - vakte stor begejstring, da de første gang brød ud i de skelsættende rapporter af Su, Schrieffer, Heeger (SSH) og Kivelson for over 30 år siden. Som nogle af de enkleste topologiske isolatorer, disse molekyler tiltrækker nu genoplivet interesse. Imidlertid, problemer med at syntetisere enkelte polyacetylen-molekyler havde begrænset disse soliton-undersøgelser til ekstrapolering af soliton-karakteristika fra gennemsnit over et stort antal soliton-bærende molekyler, hvilket er ret indirekte. Rapporter om syntese og karakterisering af enkelte polyacetylen-molekyltråde i 2019 ændrede dette. Nu, beregninger fra forskere i Tyskland og USA har identificeret, hvordan solitonerne i disse enkelte molekylære strenge opfører sig, peger på et niveau af soliton-kontrol - "solitonik" - som kunne være nyttigt for elektroniske enheder og sensorer.

Solitoner opstår, hvor ikke-lineære og dispersive effekter ophæves, så en solitær bølgepakke bliver selvforstærkende. De har en række partikelkarakteristika i den måde, de bevarer en konstant form og kommer uændret ud fra kollisioner. I optiske bølgeledere, det ikke-lineære bidrag er proportionalt med intensiteten, producerer bølge selvfokusering, så bølgen passerer gennem rum og tid uændret. Imidlertid, den selvbevarende soliton-funktion kan også være forbundet med en ændring i bindingsrækkefølgen, såsom en knæk eller domænevæg. Solitoner dukker op i beskrivelser af polyacetylenmolekylære ledninger på grund af de forskellige domæner, disse ledninger kan have.

Polyacetylenmolekyler veksler mellem enkelt- og dobbeltbindinger langs kæden, og rækkefølgen af ​​disse obligationstyper definerer forskellige domæner. Solitonen er en måde at beskrive domænevæggen mellem sektioner af kæden, der har forskellig rækkefølge. Domænevæggen kan bevæge sig, men dens form forbliver den samme. Det er også meget let - omkring seks gange en elektronmasse - og alligevel kan det forvrænge gitteret og flytte tungere kerner, når det bølger igennem.

Forskerne ledet af Daniel Hernangómez-Pérez og Ferdinand Evers ved Universitetet i Regensburg i Tyskland, i samarbejde med forskere ved Columbia University i USA, anvendte tæthedsfunktionsteoretiske beregninger på polyacetylen for at se, hvordan disse solitoner opfører sig i enkelte ledninger. "En af vores primære motivationer er at forstå, hvilken type topologiske egenskaber der kan observeres på enkeltmolekyleniveau i realistiske scenarier, " forklarer Hernangómez-Pérez.

Elektronik møder solitonics

De fandt ud af, at det var muligt at kontrollere solitonens position gennem de kemiske enheder i hver ende af molekylkæden. Solitonen kan oplades uden spin eller gratis, men med et spin på det halve. For ladede solitoner, forskerne viser, at anvendelse af et elektrisk felt yderligere kan manipulere solitonens position på molekylkæden, som kan observeres gennem polarisationsmålinger eller ændringer i konduktans. Konduktansen ændrer sig eksponentielt, når soliton bevæger sig mod kanten, som, som Hernangómez-Pérez foreslår, giver en følsomhed, der kunne være nyttig til at detektere elektriske felter.

Et måske uventet resultat opstår, når solitonen har nået den ene ende af kæden, og marken rampes yderligere op. I stedet for en form for dielektrisk nedbrydning, et yderligere soliton-antisoliton-par dannes, frigivelse af elektrostatisk energi.

Yderligere solitonisk potentiale

Selvom forskere allerede har vist, at det er muligt at syntetisere enkelte polyacetylen-molekyltråde, der er lange nok til at rumme solitoner, andre udfordringer er tilbage. De bliver nødt til at etablere en måde at sikre, at ledningen beholder den overskydende ladning for en opladet soliton, samt hvordan man kemisk fastgør de rigtige kemiske endegrupper og udsætter solitonen for elektriske felter i planet. Imidlertid, Hernangómez-Pérez ser ikke nogen af ​​disse problemer som uoverstigelige. For eksempel, feltet i planet kunne tilvejebringes af metalliske adatomer aflejret med et scanning nærfeltsmikroskop.

Hvad angår hans egen linje for fremtidig forskning, Hernangómez-Pérez opregner en række udestående teoretiske spørgsmål, der skal tages fat på:"Der er flere muligheder:(i) forståelse af substratets rolle og mulige gittermismatch mellem substratet og polyacetylenkæden; (ii) undersøg ved hjælp af teoretiske værktøjer såsom densitet- funktionel teori kobling mellem kæder eller hvordan skabelse af solitoner på en kæde kan påvirke nabokæder; (iii) undersøg teoretisk domænevægsdannelse i lignende kulstofbaserede molekyler."

Indtil nu, forskernes beregninger strækker sig ikke til opførselen af ​​en nulladet polyacetylensoliton, der bærer spin, men de forventer, at det skal være muligt at manipulere dette med en magnetisk feltgradient. "I princippet, man kunne tænke på spinstrømme langs ledningen på samme måde som elektriske strømme, " foreslår Hernangómez-Pérez. "Men det er meget for tidligt at tale om nogen virkning af dette for spintronics."

© 2020 Science X Network