Внутренней структурой наночастиц можно управлять с помощью электрического поля

Учёные Томского политехнического университета, научных центров США, Китая и Германии обнаружили необычную самоорганизацию атомов в объёме наночастиц и научились управлять ею с помощью электрического поля. Такие "управляемые" наночастицы могут быть использованы при создании ёмкой энергонезависимой памяти, квантовых компьютеров и другой электроники будущего.

Как пояснил ведущий автор работы инженер кафедры общей физики ТПУ Дмитрий Карпов, в современном материаловедении дефекты вещества разделяют на две большие группы. В первую группу входят классические, хорошо изученные дефекты, при которых механически нарушен порядок атомов в веществе, то есть в кристаллической решётке убраны или, наоборот, вставлены лишние атомы. В другом же классе дефектов нет никаких выраженных локальных изменений — вместо этого меняется сама пространственная организация решётки. 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 объёму 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 отдалённом взгляде имеет выраженное закручивание и называется топологическим вихрем. При этом ядро вихря представляет собой наностержень, который может быть как смещён полем, так и стёрт и снова восстановлен внутри наночастиц",— поясняет соавтор исследования, профессор Лос-Аламосской Национальной Лаборатории и Государственного Университета Нью-Мексико Эдвин Фотун (Edwin Fohtung).

В ходе работы физики изучали наночастицы титаната бария, внутренняя структура которых была визуализирована с помощью проникающего рентгеновского излучения синхротронного источника Advanced Photon Source (Чикаго, США). Учёные получили изображение объёма 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.

Возможность управления и регулировки топологических вихрей в наночастицах важна для создания новой электроники, отмечают авторы работы.

Современные компоненты электроники становятся всё 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", — добавляет Карпов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Commnucations.

Напомним, что ранее были обнаружены частицы, являющиеся собственными античастицами, а также новая элементарная частица с невероятным количеством "ароматов".