Solitonbeschrijvingen voor de geleidende polymeren polyacetyleen - beschrijvingen gebaseerd op een soort eenzame golf - veroorzaakten grote opwinding toen ze voor het eerst braken in de baanbrekende rapporten van Su, Schrieffer, Heeger (SSH) en Kivelson meer dan 30 jaar geleden. Als enkele van de eenvoudigste topologische isolatoren, deze moleculen trekken nu een hernieuwde belangstelling aan. Echter, problemen bij het synthetiseren van enkelvoudige polyacetyleenmoleculen hadden deze soliton-onderzoeken beperkt tot extrapolaties van soliton-kenmerken van gemiddelden over grote aantallen soliton-dragende moleculen, wat nogal indirect is. Rapporten over synthese en karakterisering van enkele polyacetyleen moleculaire draden in 2019 hebben dit veranderd. Nutsvoorzieningen, berekeningen door onderzoekers in Duitsland en de VS hebben vastgesteld hoe de solitonen in deze enkelvoudige moleculaire strengen zich gedragen, wijzend op een niveau van solitoncontrole - 'solitoniek' - dat nuttig zou kunnen zijn voor elektronische apparaten en sensoren.

Solitonen treden op waar niet-lineaire en dispersieve effecten opheffen, zodat een solitair golfpakket zelfversterkend wordt. Ze hebben een aantal deeltjeskenmerken in de zin dat ze een constante vorm behouden en onveranderd uit botsingen komen. In optische golfgeleiders, de niet-lineaire bijdrage is evenredig met de intensiteit, zelffocusserende golven produceren, zodat de golf onveranderd door ruimte en tijd gaat. Echter, de zelfbehoudende soliton-functie kan ook worden geassocieerd met een verandering in de bindingsvolgorde, zoals een knik of domeinmuur. Solitonen komen naar voren in beschrijvingen van polyacetyleen moleculaire draden vanwege de verschillende domeinen die deze draden kunnen hebben.

Polyacetyleenmoleculen wisselen af ​​tussen enkele en dubbele bindingen langs de keten, en de volgorde van deze typen bindingen definieert verschillende domeinen. De soliton is een manier om de domeinmuur te beschrijven tussen delen van de keten die een verschillende volgorde hebben. De domeinmuur kan bewegen, maar de vorm blijft hetzelfde. Het is ook erg licht - ongeveer zes keer de elektronenmassa - maar het kan het rooster vervormen en zwaardere kernen verplaatsen terwijl het er doorheen rimpelt.

De onderzoekers onder leiding van Daniel Hernangómez-Pérez en Ferdinand Evers aan de Universiteit van Regensburg in Duitsland, in samenwerking met onderzoekers van Columbia University in de VS, toegepaste dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen op polyacetyleen om te zien hoe deze solitonen zich gedragen in enkele draden. "Een van onze belangrijkste motivaties is om te begrijpen welk type topologische eigenschappen kan worden waargenomen op het niveau van één molecuul in realistische scenario's, ", legt Hernangómez-Pérez uit.

Elektronica ontmoet solitoniek

Ze ontdekten dat het mogelijk was om de positie van het soliton te controleren via de chemische entiteiten aan beide uiteinden van de moleculaire keten. De soliton kan worden opgeladen zonder spin of gratis, maar met een spin van de helft. Voor geladen solitons, de onderzoekers laten zien dat het toepassen van een elektrisch veld de positie van het soliton op de moleculaire keten verder kan manipuleren, die kan worden waargenomen door polarisatiemetingen of veranderingen in geleiding. De geleiding verandert exponentieel wanneer het soliton naar de rand beweegt, die, zoals Hernangómez-Pérez suggereert, een gevoeligheid biedt die nuttig zou kunnen zijn voor het detecteren van elektrische velden.

Een misschien onverwacht resultaat treedt op wanneer de soliton het ene uiteinde van de keten heeft bereikt en het veld verder wordt opgevoerd. In plaats van een soort diëlektrische doorslag, een extra soliton-antisoliton-paar vormt, het vrijgeven van elektrostatische energie.

Verder solitonisch potentieel

Hoewel onderzoekers al hebben aangetoond dat het mogelijk is om enkele polyacetyleen moleculaire draden te synthetiseren die lang genoeg zijn om solitonen te herbergen, andere uitdagingen blijven. Ze zullen een manier moeten vinden om ervoor te zorgen dat de draad de overtollige lading voor een geladen soliton behoudt, evenals hoe de juiste chemische eindgroepen chemisch te bevestigen en de soliton te onderwerpen aan elektrische velden in het vlak. Echter, Hernangómez-Pérez ziet geen van deze problemen als onoverkomelijk. Bijvoorbeeld, het veld in het vlak zou kunnen worden geleverd door metalen adatomen die zijn afgezet met een scanning near-field microscoop.

Wat betreft zijn eigen lijn van toekomstig onderzoek, Hernangómez-Pérez somt een aantal openstaande theoretische problemen op die moeten worden aangepakt:"Er zijn verschillende mogelijkheden:(i) inzicht in de rol van het substraat en mogelijke roostermismatch tussen het substraat en de polyacetyleenketen; (ii) onderzoeken met behulp van theoretische hulpmiddelen zoals dichtheids- functionele theorie koppeling tussen ketens of hoe het creëren van solitonen op één keten naburige ketens kan beïnvloeden; (iii) theoretisch domein-wandvorming onderzoeken in vergelijkbare op koolstof gebaseerde moleculen."

Tot dusver, de berekeningen van de onderzoekers strekken zich niet uit tot het gedrag van een nul-lading polyacetyleen soliton dat spin draagt, maar ze verwachten dat het mogelijk moet zijn om dit te manipuleren met een magnetische veldgradiënt. "In principe, men zou spinstromen langs de draad op dezelfde manier kunnen zien als elektrische stromen, " stelt Hernangómez-Pérez voor. "Maar het is erg voorbarig om te praten over de gevolgen hiervan voor spintronica."

© 2020 Wetenschap X Netwerk