En studie av Tomsk Polytechnic University avslöjar hur topologiska virvlar som finns i lågdimensionella material både kan förskjutas och raderas och återställas igen av det elektriska fältet i nanopartiklar. Detta kan öppna spännande möjligheter för minnesenheter eller kvantdatorer där information kommer att krypteras i egenskaperna hos topologiska virvlar.

Forskare från TPU och internationella samarbetspartners har upptäckt ovanlig självorganisering av atomer i volymen av nanopartiklar och har lärt sig att kontrollera den via ett elektriskt fält. Sådana kontrollerade nanopartiklar kan användas för att generera rymligt icke-flyktigt minne med direktåtkomst (NRAM), kvantdatorer och annan nästa generations elektronik.

Huvudförfattaren är Dmitriy Karpov, ingenjör vid institutionen för allmän fysik, TPU, vem förklarar att inom modern materialvetenskap, materiens defekter är uppdelade i två stora grupper. Den första gruppen inkluderar klassiska, väl studerade defekter, när atomer i materien är mekaniskt störda, dvs. atomer tas antingen bort eller sätts in i gittret. I den andra gruppen, den rumsliga organisationen av själva gittret förändras och sådana defekter kallas topologiska.

Topologiska defekter kan starkt påverka materia, gör den superflytande eller supraledande, och därför, det är mycket viktigt att studera dem. Topologiska defekter kan bara hittas i lågdimensionella material - tvådimensionella nanorods och nanofilmer (bara flera atomer tjocka) och endimensionella nanopartiklar eller nanopartiklar, som är sfäriska partiklar som består av flera tiotals eller hundratals identiska atomer.

"En av de viktiga topologiska defekterna är en topologisk virvel som ser ut som en urskiljbar vridning orsakad av en liten förskjutning av alla atomer. Vortexkärnan är en nanosträng som både kan förskjutas av fältet, och raderas och återställs igen inom nanopartiklar, " förklarar Edwin Fohtung, Professor i Los Alamos National Laboratory och New Mexico State University.

Forskarna studerade bariumtitanat-nanopartiklar vars inre struktur visualiserades med hjälp av penetrerande röntgenstrålning från synkrotronen Advanced Photon Source (Chicago, USA). De fick en bild av volymen av nanopartiklar med en upplösning på 18 nanometer, vilket gjorde det möjligt för dem att analysera de minsta förändringar i strukturen. Som ett resultat, forskarna visade att ett externt elektriskt fält kan förskjuta kärnan av den topologiska virveln inuti nanopartikeln, och när fältet tas bort, den återgår till sin ursprungliga position.

Moderna komponenter av elektronik blir gradvis mindre. Detta kan avsevärt påverka effektiviteten hos enheter, som kommer att reduceras avsevärt på grund av kvanteffekter. Ett sätt att kringgå dessa begränsningar är att använda topologiska virvlar. Således, de kan användas för att generera NRAM eller kvantdatorer med hög densitet där information kommer att krypteras i egenskaperna hos topologiska virvlar.

"Allt som allt, möjligheten att kontrollera och justera topologiska virvlar i nanopartiklar är viktig för skapandet av ny elektronik, " avslutar Dmitriy Karpov.