Ученые Томского политехнического университета (ТПУ), научных центров США, Китая и Германии обнаружили необычную самоорганизацию атомов в объеме наночастиц и научились управлять ею с помощью электрического поля. Исследование ученых опубликовано в журнале Nature Commnucations, популярно о нем рассказывает пресс-служба ТПУ.

В современном материаловедении дефекты вещества разделяют на две большие группы. В первую группу входят классические дефекты, при которых механически нарушен порядок атомов в веществе: то есть в кристаллической решетке вещества убраны или, наоборот, вставлены лишние атомы. В другом же классе дефектов нет никаких выраженных локальных изменений — вместо этого меняется сама пространственная организация решетки. Такие дефекты называют топологическими.

Топологические дефекты могут сильно влиять на вещество и придавать ему такие необычные свойства, как сверхтекучесть или сверхпроводимость, и поэтому их изучение очень важно для практических целей материаловедения. При этом топологические дефекты существуют только в материалах малой размерности: двумерных наностержнях и нанопленках (слоях толщиной в несколько атомов) и одномерных наноточках или материалах с высоким отношением площади поверхности к объему вещества (наночастицах — сферических частицах из нескольких десятков или сотен одинаковых атомов). Один из важных топологических дефектов — это топологический вихрь.

«Наши результаты показывают, что в наночастицах наблюдается небольшое смещение всех атомов, которое при отдаленном взгляде имеет выраженное закручивание и называется топологическим вихрем. При этом ядро вихря представляет собой наностержень, который может быть как смещен полем, так и стерт и снова восстановлен внутри наночастиц», — приводятся в сообщении пояснения участника исследования, профессора Лос-Аламосской Национальной Лаборатории и Государственного Университета Нью-Мексико Эдвина Фотуна.

В рамках исследования ученые изучали наночастицы титаната бария, внутренняя структура которых была визуализирована с помощью проникающего рентгеновского излучения синхротронного источника Advanced Photon Source (Чикаго, США). Ученые получили изображение объема наночастиц с разрешением в 18 нанометров, что позволило проанализировать малейшие изменения в структуре. В результате исследователи показали, что под воздействием внешнего электрического поля смещается ядро топологического вихря внутри наночастицы, а при снятии поля оно возвращается на прежнее место.



Как полагают ученые, такие «управляемые» наночастицы могут быть использованы при создании емкой энергонезависимой памяти, квантовых компьютеров и другой электроники будущего. Современные компоненты электроники становятся все меньше и постепенно достигают своего минимального предела по размеру, ниже которого эффективность устройств будет ощутимо снижаться из-за различных квантовых эффектов. Один из способов обойти эти ограничения — это использование топологических вихрей. Например, на их основе может быть создана энергонезависимая память с большой плотностью записи информации или квантовые компьютеры, в которых информация будет зашифрована в характеристиках топологических вихрей.

«Дальнейшие исследования с использованием дифракции синхротронного излучения на материалах малой размерности позволят лучше понять механизмы управления и воссоздания различных топологических дефектов. Тогда уже работой инженеров станет исхитриться и использовать полученные знания, чтобы решить самые насущные проблемы будущей электроники», — цитируются в сообщении слова первого автора исследования, инженера кафедры общей физики ТПУ Дмитрия Карпова.