Een studie van de Tomsk Polytechnic University onthult hoe topologische wervels die worden aangetroffen in laagdimensionale materialen zowel kunnen worden verplaatst als gewist en weer kunnen worden hersteld door het elektrische veld in nanodeeltjes. Dit kan opwindende kansen bieden voor geheugenapparaten of kwantumcomputers waarin informatie wordt gecodeerd in de kenmerken van topologische wervels.

Wetenschappers van TPU en internationale medewerkers hebben een ongebruikelijke zelforganisatie van atomen ontdekt in het volume van nanodeeltjes en hebben geleerd deze te besturen via een elektrisch veld. Dergelijke gecontroleerde nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om een ​​ruim niet-vluchtig willekeurig toegankelijk geheugen (NRAM) te genereren, kwantumcomputers en andere elektronica van de volgende generatie.

De hoofdauteur is Dmitriy Karpov, ingenieur van de afdeling Algemene Natuurkunde, TPU, die verklaart dat in de moderne materiaalkunde, de defecten van de materie zijn verdeeld in twee grote groepen. De eerste groep omvat klassieke, goed bestudeerde gebreken, wanneer atomen in materie mechanisch ontregeld zijn, d.w.z., atomen worden ofwel verwijderd of in het rooster ingevoegd. In de andere groep, de ruimtelijke organisatie van het rooster zelf verandert en dergelijke defecten worden topologisch genoemd.

Topologische defecten kunnen de materie sterk beïnvloeden, waardoor het supervloeibaar of supergeleidend wordt, en daarom, het is erg belangrijk om ze te bestuderen. Topologische defecten kunnen alleen worden gevonden in laagdimensionale materialen - tweedimensionale nanostaafjes en nanofilms (slechts enkele atomen dik) en eendimensionale nanodots of nanodeeltjes, die bolvormige deeltjes zijn die uit enkele tientallen of honderden identieke atomen bestaan.

"Een van de belangrijke topologische defecten is een topologische vortex die eruitziet als een waarneembare verdraaiing veroorzaakt door een kleine verplaatsing van alle atomen. De vortexkern is een nanostreng die zowel door het veld kan worden verplaatst, en gewist en weer hersteld binnen nanodeeltjes, " legt Edwin Fohtung uit, Professor van Los Alamos National Laboratory en New Mexico State University.

De wetenschappers bestudeerden bariumtitanaat-nanodeeltjes waarvan de interne structuur werd gevisualiseerd met behulp van doordringende röntgenstraling van de synchrotron Advanced Photon Source (Chicago, VS). Ze kregen een beeld van het volume van nanodeeltjes met een resolutie van 18 nanometer, waardoor ze de kleinste veranderingen in de structuur konden analyseren. Als resultaat, de onderzoekers toonden aan dat een extern elektrisch veld de kern van de topologische vortex in het nanodeeltje kan verplaatsen, en wanneer het veld wordt verwijderd, het keert terug naar zijn oorspronkelijke positie.

Moderne componenten van elektronica worden stilaan kleiner. Dit kan de efficiëntie van apparaten aanzienlijk beïnvloeden, die aanzienlijk zal worden verminderd als gevolg van kwantumeffecten. Een manier om deze beperkingen te omzeilen is het gebruik van topologische wervels. Dus, ze kunnen worden gebruikt om NRAM- of kwantumcomputers met hoge dichtheid te genereren waarin informatie wordt gecodeerd in de kenmerken van topologische wervels.

"Globaal genomen, de mogelijkheid om topologische wervels in nanodeeltjes te controleren en aan te passen is belangrijk voor het creëren van nieuwe elektronica, " concludeert Dmitriy Karpov.