Solitonbeskrivningar för de ledande polymererna polyacetylen - beskrivningar baserade på en typ av ensam våg - orsakade stor spänning när de först bröt in de seminalrapporterna av Su, Schrieffer, Heeger (SSH) och Kivelson för över 30 år sedan. Som några av de enklaste topologiska isolatorerna, dessa molekyler lockar nu till nytt intresse. Dock, problem med att syntetisera enstaka polyacetylenmolekyler hade begränsat dessa solitonstudier till extrapoleringar av solitonegenskaper från medelvärden över ett stort antal solitonbärande molekyler, vilket är ganska indirekt. Rapporter om syntes och karakterisering av enkla polyacetylenmolekylära trådar under 2019 förändrade detta. Nu, beräkningar av forskare i Tyskland och USA har identifierat hur solitonerna i dessa enda molekylära strängar beter sig, pekar på en nivå av solitonkontroll - "solitonics" - som kan vara användbar för elektroniska enheter och sensorer.

Solitoner uppstår där olinjära och dispersiva effekter avbryts så att ett ensamt vågpaket blir självförstärkande. De har ett antal partikelegenskaper på det sätt de behåller en konstant form och kommer från oförändrade kollisioner. I optiska vågledare, det olinjära bidraget är proportionellt mot intensiteten, producerar våg självfokusering så att vågen passerar genom rymden och tiden oförändrad. Dock, den självkonserverande soliton-funktionen kan också associeras med en förändring i bindningsordning, såsom en knäck eller domänvägg. Solitoner dyker upp i beskrivningar av polyacetylenmolekylära trådar på grund av de olika domäner dessa trådar kan ha.

Polyacetylenmolekyler växlar mellan enkla och dubbelbindningar längs kedjan, och ordningen på dessa bindningstyper definierar olika domäner. Soliton är ett sätt att beskriva domänväggen mellan delar av kedjan som har olika ordning. Domänväggen kan röra sig men dess form förblir densamma. Det är också mycket lätt - cirka sex gånger en elektronmassa - men det kan förvränga gitteret och flytta tyngre kärnor när det krusar igenom.

Forskarna under ledning av Daniel Hernangómez-Pérez och Ferdinand Evers vid universitetet i Regensburg i Tyskland, i samarbete med forskare vid Columbia University i USA, tillämpade densitetsfunktionella teoriberäkningar på polyacetylen för att se hur dessa solitoner beter sig i enstaka trådar. "En av våra främsta motiv är att förstå vilken typ av topologiska egenskaper som kan observeras på enmolekylnivå i realistiska scenarier, "förklarar Hernangómez-Pérez.

Elektronik möter solitonics

De fann att det var möjligt att styra solitonets position genom de kemiska enheterna i vardera änden av molekylkedjan. Soliton kan laddas utan snurr eller gratis utan med ett snurr på hälften. För laddade solitons, forskarna visar att applicering av ett elektriskt fält ytterligare kan manipulera solitonens position på molekylkedjan, som kan observeras genom polarisationsmätningar eller förändringar i konduktans. Konduktansen förändras exponentiellt när solitonen rör sig mot kanten, vilket Hernangómez-Pérez antyder ger en känslighet som kan vara användbar för att detektera elektriska fält.

Ett kanske oväntat resultat uppstår när solitonen har nått ena änden av kedjan och fältet ökas ytterligare. Istället för någon slags dielektrisk nedbrytning, ytterligare ett par soliton-antisoliton, frigör elektrostatisk energi.

Ytterligare solitonisk potential

Även om forskare redan har visat att det är möjligt att syntetisera enstaka polyacetylenmolekyltrådar som är tillräckligt långa för att rymma solitoner, andra utmaningar kvarstår. De kommer att behöva etablera ett sätt att se till att tråden behåller överskottsavgiften för en laddad soliton, samt hur man kemiskt fäster rätt kemiska ändgrupper och utsätter solitonen för elektriska fält i planet. Dock, Hernangómez-Pérez ser inga av dessa frågor som oöverstigliga. Till exempel, fältet i planet kan tillhandahållas av metalliska adatomer avsatta med ett skannande närfältsmikroskop.

När det gäller hans egen linje av framtida forskning, Hernangómez-Pérez listar ett antal enastående teoretiska frågor att ta itu med:"Det finns flera möjligheter:(i) förståelse av substratets roll och eventuella gitterfel mellan substrat och polyacetylenkedja; (ii) undersöka med hjälp av teoretiska verktyg som densitet- funktionell teori koppling mellan kedjor eller hur skapandet av solitoner på en kedja kan påverka angränsande kedjor; (iii) undersöka teoretiskt domänväggsbildning i liknande kolbaserade molekyler. "

Än så länge, forskarnas beräkningar omfattar inte beteendet hos en nolladdad polyacetylensoliton som bär spinn, men de förväntar sig att det ska vara möjligt att manipulera detta med en magnetfältgradient. "I princip, man kan tänka sig spinnströmmar längs tråden på samma sätt som elektriska strömmar, "föreslår Hernangómez-Pérez." Men det är mycket för tidigt att prata om eventuella effekter av detta för spintronics. "

© 2020 Science X Network